Zona de protectie a descarcatorului

Zona de protectie a descarcatorului

Echipamentele electrice sunt cu atit mai bine protejate impotriva supratensiunilor atmosferice cu cit tensiunea corespunzatoare nivelului de izolatie standardizat (BIL) este mai mare decit tensiunea U_p corespunzatoare nivelului de protectie al descarcatorului. Descarcatoarele moderne cu U_p=3,25xU_c asigura U_p 4 u.r. chiar si in retele cu neutrul tratat printr-o impedanta mare. Pentru echipamente electrice care sunt expuse la supratensiuni atmosferice, CEI 5 recomanda nivelurile de izolatie prezentate in tab.1. CEI 6 recomanda suplimentar pentru retele de m.t. BIL>1,4xU_p. Dupa cum se vede in tab.1 descarcatoarele moderne indeplinesc aceasta cerinta.

Nivel de izolatie standardizat la impuls (BIL) dupa CEI 5 si nivelul de protectie al descarcatoarelor moderne cu U_p=4 u.r.

Tab.1

Factorul de 1,4 este calculat cu rezerve pentru ca trebuie sa se tina cont si de faptul ca supratensiunea poate depasi U_p. Efecte ale reflectiilor cauzeaza cresteri de supratensiune la echipamentele electrice aflate la o distanta marita fata de descarcator. De la anumita distanta protectia data de descarcator este insuficienta. Distanta protejata (L) este distanta maxima dintre descarcator si echipamentul electric la care se asigura protectia suficienta. Pentru amplasarea descarcatoarelor este necesara cunoasterea acestor distante L. Pentru descarcatoarele de m.t. aprecierea acestor distante este prezentata in cele ce urmeaza.

1          Deducerea teoretica a zonei de protectie (L)

Pe linia aeriana de distributie din fig.5 se propaga o supratensiune U sub forma de unda calatoare, cu viteza v catre capatul liniei E. La punctul E se gaseste echipamentul care trebuie protejat. Cind unda calatoare ajunge la punctul E ea este reflectata si tensiunea creste la valoarea 2xU. Functia de a preveni aceasta crstere de tensiune revine descarcatorului A. In ipoteza simplificatoare ca panta S a frontului undei de supratensiune este constanta, pentru valoarea maxima U_E este valabila relatia:

                   v=300 m/s

In figura 5, marimea “b” este compusa din lungimea conductorului dintre borna de inalta tensiune a descarcatorului si partea de inalta tensiune a instalatiei si din lungimea legaturii la priza de pamant

a descarcatorului.

Fig.5       Supratensiunea la capat de linie (E)

U: unda de supratensiune                          U_p: nivel de protectie al lui A

v: viteza de propagare a undei U a, b: lungimea legaturilor electrice

S: panta frontului undei U           E: capatul liniei

A: descarcator                               U_E: supratensiunea in E

Experienta a demonstrat ca este suficient un coeficient de siguranta de 1,2 intre nivelul de izolatie BIL al echipamentului si supratensiunea atmosferica U_E:

Daca descarcatorul este amplasat la distanta maxima protejata L=a+b, atunci expresia pentru L este:

(1)

Daca suma distantelor de amplasare a+b este mai mica decit distanta L protejata de descarcator, atunci protectia in punctul E este corespunzatoare. Pentru a putea determina L din relatia (1) trebuie cunoscuta panta S. Valoarea estimata a pantei S este prezentata in subcapitolul urmator.

9.2            Panta probabila S a undei de supratensiune atmosferica in instalatii de m.t.

Fig.6 prezinta o lovitura de trasnet intr-o linie aeriana de distributie. Se noteaza cu i(t) functia care descrie curentul produs de lovitura de trasnet. Din locul loviturii de trasnet, in ambele directii, va trece un curent i/2. Daca impedanta Z este impedanta caracteristica a conductorului la astfel de impuls, atunci acest curent genereaza o supratensiune de trasnet cu panta S(t) intre conductor si pamint. Dupa cum se observa in fig.6, S(t) nu este constanta in timp. In cele ce urmeaza, valoarea maxima a pantei frontului undei se va nota cu S.

In 10% din cazurile de trasnet valoarea maxima a variatiei di/dt este mai mare decit 32 kA/ms. Cind Z=450 W, fiecare a zecea lovitura de trasnet va determina o valoare maxima S 7200 kV/ms. Un astfel de ordin de marime pentru S este previzibil pentru o statie, doar daca lovitura de trasnet are loc in apropiere de ea. Posibilitatea unui astfel de eveniment este relativ mica. De exemplu, o lovitura de trasnet, cu o viteza de variatie di/dt mai mare decit 32 kA/ms, care loveste in apropierea unei statii pe o raza de 25 m, ar apare odata la 5000 ani.

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

Fig.6       Supratensiune atmosferica provocata de un trasnet pe linie

F: linie aeriana                               di/dt: panta maxima a lui i(t)

Z: impedanta caracteristica a lui F                                u(t): supratensiune atmosferica, functie de timp

t: timp                                            S: panta maxima a lui u(t)

i(t): curentul de trasnet ca functie de timp

Valori substantial mai mici ale vitezei de variatie a tensiunii sunt de asteptat atunci cind lovitura de trasnet se produce la distanta mare de statie. Datorita efectului corona, frontul undei de supratensiune se atenueaza de la punctul in care are loc lovitura inspre statie. Daca S₀ reprezinta valoarea pantei la locul loviturii, panta de-a lungul lungimii d a liniei descreste cu valoarea:

Constanta K este dependenta de geometria liniei aeriene. In 1 ea este aproximata la valoarea K=5x10^-6 ms/kV pentru liniile de m.t.

De exemplu, presupunem o lovitura de trasnet la o distanta d=135m de statie si cu o valoare infinita a pantei S₀ a undei de supratensiune. In conformitate cu formula precedenta, panta S in statie va fi mai mica decit 1500 kV/ms datorita efectului corona. Rezulta ca numai o lovitura de trasnet in conductor pina la o distanta d=135m poate avea ca efect o valoare a lui S>1500 kV/ms in statie.

Se poate deduce din 1 ca, in medie, intr-un an, o lungime de 100 km de linie aeriana va fi lovita de 8 lovituri de trasnet. Aceasta valoare se refera la retelele de 10, 20 si 30 kV din Germania. In Germania densitatea loviturilor de trasnet pe km² este de 3 pe an. Conform cu 1 , valoarea se aproximeaza la 25 lovituri de trasnet pe an, pe o lungime de 100 km linie de distributie. Valoarea de trei ori mai ridicata decit in cazul Germaniei, rezulta din calcule matematice si corespunde unei linii de m.t. pe teren deschis. In realitate liniile de distributie nu sunt astfel afectate, dat fiind ca in mod frecvent ele sunt protejate la loviturile de trasnet de catre alte linii, cladiri inalte sau paduri. In cele ce urmeaza, pentru calcule va fi folosita valoarea empirica de 8 lovituri de trasnet pe an pe 100 km, care este de asteptat in zone cu conditii topografice nefavorabile. In zone cu activitate keraunica intensa, nu poate fi neglijata nici posibilitatea aparitiei a 100 lovituri de trasnet pe an pe 100 km de linie aeriana.

Probabilitatea unei lovituri de trasnet in deschiderea unei linii la d=135m este astfel 0,01 pe an. In partea de m.t. a statiei se preconizeaza supratensiuni de trasnet cu panta frontului undei depasind 1500 kV/ms cel mult odata la 100 de ani.

Aceste doua exemple, alese arbitrar, demonstreaza faptul ca viteze mari de variatie ale tensiunii apar mai putin frecvent decit valorile mici ale vitezei de variatie. Valoarea estimata pentru panta frontului undei este intotdeauna legata de probabilitatea de aparitie a acesteia. Se obisnuieste sa se specifice intervalul de timp t_s dintre doua evenimente posibile, in locul indicarii probabilitatii. In exemplele anterioare, bineinteles ca nu toate loviturile de trasnet care cad in deschiderea unui conductor la d=135m au ca efect o panta mai mare decit 1500 kV/ms in statie. Valori mari ale vitezei de variatie a curentului au o incidenta mica la un numar de lovituri de trasnet. Majoritatea trasnetelor lovesc mai mult de unul din cele trei conductoare, ceea ce are drept consecinta o reducere a valorii di/dt pe fiecare linie, de aceea scade du/dt.

Un alt factor semnificativ este faptul ca forma cresterii curentului de trasnet este concava 1 . De aceea valoarea maxima a pantei supratensiunii apare in domeniul tensiunii maxime, asa cum este prezentat in fig.6. In cazul undelor de tensiune cu valori de virf mari ale curentului de trasnet, are loc o descarcare intre linie si pamint inainte de atingerea valorii maxime a tensiunii. Unda remanenta este astfel intrerupta incit valorile mari ale pantei frontului undei nu mai au efect.

Astfel, doar o fractiune din trasnetul care loveste o linie aeriana la distanta d=135m de statie genereaza valori S>1500 kV/ms la intrarea in statie. Probabilitatea ca S>1500 kV/ms este astfel semnificativ mai mica decit 0,01 pe an. Aceasta valoare se poate evalua cu ajutorul statisticilor privind curentul de trasnet 1 . Considerind o progresie parabolica privind cresterea curentului, rezulta valorile estimate pentru panta S din partea de m.t. a statiei, valori indicate in tab.2. Valorile mai mici ale lui S pentru linii aeriene pe stilpi cu console legate la pamint sunt rezultatul descarcarilor tensiunii de tinere mai mici a izolatoarelor fata de tensiunea de tinere in cazul stilpilor de lemn.

Panta probabila S a supratensiunii de trasnet pe partea de m.t. a statiei

Tab.2

Nota: Valorile din tabel ale lui S vor fi depasite in medie o singura data in intervalul t_s

1 in caz ca trasnetul loveste o singura faza

2 in caz ca trasnetul loveste trei faze

Valorile din tab.2 au fost determinate pornind de la premiza ca intr-un an, pe 100 km linie de distributie, vor apare 8 lovituri de trasnet. Se vor lua in considerare la consultarea tabelului doar loviturile de trasnet care lovesc linia la mai putin de 300 m de statie. In cazul liniilor “descoperite” (neprotejate de alte linii, cladiri, poduri), valoarea lui t_s este de 3 ori mai mica. Daca, in plus, zona respectiva esre caracterizata de o intensa activitate keraunica, valoarea lui t_s se micsoreaza de 12 ori.

In 2 , pentru echipamentele electrice din statiile exterioare, se recomanda un interval t_s de 400 de ani. Astfel rezulta urmatoarele valori pentru amplitudinea tensiunii U si panta S a supratensiunilor in statii:

Se presupune ca pe 100 km de linie aeriana vor apare 8 lovituri de trasnet care vor lovi de cele mai multe ori mai mult decit o singura faza. In medie, aceasta panta S va fi depasita odata la 400 de ani .

Variatia in timp a supratensiunii este parabolica si are panta S la atingerea valorii U:

(2)

Ecuatia (2) este definita pentru intervalul de timp . Se accepta valoarea de U=600 kV pentru linii aeriene amplasate pe stilpi cu console legate la pamint. Aceasta reprezinta aproximativ tensiunea de conturnare a unui izolator de 20 kV, la taierea impulsurilor de tensiune de panta 800 kV/ms si polaritate negativa.

Introducind valorile U si S in ecuatia (2), rezulta ca cresterea in timp a valorii u(t) urmareste aceeasi forma indiferent de tipul liniei (pe stilpi de lemn sau console legate la pamint). Cit timp descarcatorul limiteaza tensiunea mult sub valoarea lui U, valoarea mai mare a lui S in cazul stilpilor de lemn nu are efect in ceea ce priveste distanta protejata de descarcator. Cu toate acestea, distantele de protectie pentru fiecare din aceste tipuri de linii sunt diferite. Motivul consta in diferentele de valoare (U) ale undei de supratensiune. Cind un curent de trasnet trece prin descarcator, atinge valoarea de virf I:

(3)

De aceea, in cazul liniilor instalate pe stilpi de lemn (U=3000 kV), cind Z=450 W, se estimeaza ca prin descarcator va trece un curent de 13 kA.

In ceea ce priveste LEA pe stilpi cu console legate la pamint (U=660 kV), curentul va avea valori sub 3 kA. Aceasta este mai mare in cazul liniilor pe stilpi de lemn si atunci distanta protejata de descarcator este mai mica.

3          Influenta tipului si amplasarii descarcatoarelor asupra distantei protejate pentru echipamentele electrice

Folosind marimile BIL si U_p din tab.1 si valorile anterioare ale lui S si inlocuind in ecuatia (1), rezulta urmatoarele distante protejate:

L=2,3m pentru linii pe stilpi de lemn

L=4,5m pentru linii pe stilpi cu console legate la pamint

Aceste valori sunt valabile pentru ipotezele facute conform fig.5. De aceea trebuie sa fie corectate dupa cum a fost descris in fig.7. In general, echipamentul electric (in acest caz un transformator) prezinta o capacitate C fata de pamint. Aceasta provoaca oscilatii ale tensiunii in legaturile a si b, rezultind o crestere a tensiunii U_T odata cu C, ceea ce duce la reducerea distantei protejate.

Oricum, cresterea parabolica a supratensiunii de trasnet are influenta opusa. Descarcatorul limiteaza supratensiunea mult sub valoarea de virf. Panta maxima, care apare numai in zona de maxima tensiune, nu mai are nici o influenta.

Deducind marimea L din ecuatia (1) s-a presupus ca descarcatorul va conduce numai cind tensiunea de la bornele lui a atins valoarea U_p. Acesta este cazul descarcatoarelor cu eclatoare. Descarcatoarele cu ZnO fara eclatoare conduc inainte de atingerea valorii U_p la borne. De aceea proprietatile de protectie apar mult mai devreme. Din aceasta cauza, in anumite conditii este preferabila folosirea descarcatoarelor cu ZnO care protejeaza mai bine echipamentul aflat la distanta mai mare.

Pentru configuratia din fig.7, s-au calculat distantele de protectie ale descarcatoarelor. S-a considerat o variatie parabolica a supratensiunii si s-a presupus valoarea U_p=4 u.r. pentru I_n=5 kA. Avind b 1m, rezultatul in cazul unor tensiuni de retea de pina la 7,2 kV este:

L=20m pentru linii pe stilpi de lemn, C=0

L=6m pentru linii pe stilpi de lemn, C=2 nF

L=25m pentru linii pe stilpi cu console legate la pamint, C=0

L=15m pentru linii pe stilpi cu console legate la pamint, C=2 nF

Aceste valori se aplica atit la descarcatoarele cu ZnO cit si la cele cu eclatoare. Este usor de observat influenta capacitatii C a echipamentelor electrice asupra lungimii L.

Fig.7       Supratensiunea la transformatorul T

U: unda de supratensiune a,b: lungimi ale legaturilor electrice

v: viteza de propagare a lui U (b-lungimea conexiunilor descarcatorului

S: panta maxima a lui U de la conductor pana la pamant)

U_p: nivelul de protectie al lui A T: transformator

U_T: supratensiunea la T C: capacitatea lui T intre faza si pamint

In fig. 8 sunt prezentate, pentru a se vedea influenta diversilor parametri, distantele de protectie proprii unui anumit descarcator, la tensiunea retelei U_m cuprinsa intre 17,5 kV si 24 kV.

Fig.8       Distanta protejata (L) de descarcator in retele cu U_m=17,5 kV si 24 kV, in functie de lungimea conductorului b

8a) linii pe stilpi de lemn 8b) linii pe stilpi de lemn cu console legate la pamint

---- descarcator cu ZnO - - - descarcator cu eclatoare

C: capacitatea transformatorului T intre faza si pamint

U_p=4 u.r. la I_n=5 kA

Daca a+b L atunci U_T BIL/1,2

Se observa cum descreste L odata cu cresterea capacitatii echipamentului electric, fapt de importanta deosebita la protectia cu descarcatoare a transformatoarelor, data fiind capacitatea mare a acestora. In plus, se remarca descresterea pronuntata a lui L odata cu cresterea lungimii conductorului B. Legatura de la linia cu supratensiuni pina la borna sub tensiune a descarcatorului trebuie sa fie cit mai directa posibil. In fig.9 s-au reprezentat si evaluat schematic trei posibilitati de conexiune.

Fig.9       Dispunerea descarcatoarelor si a Evaluarea conexiunilor:

echipamentelor electrice

F: linie periclitata de trasnet 1: slaba

U: supratensiune atmosferica 2: buna

A: descarcator 3: excelenta

T: echipament electric (transformator)

C: capacitatea lui T fata de pamint

Distanta de protectie mai mare a descarcatoarelor in cazul LEA pe stilpi cu console legate la pamint (fig. 8b) rezulta din amplitudinea mai mica a supratensiunii care intra in statie (tensiuni de conturnare mai mici). De aici rezulta un curent mai mic prin descarcator si o valoare mai mica a tensiunii reziduale, ceea ce permite valori mai mari pentru L.

In retele cu U_m=12 kV, distantele protejate de descarcator sunt cu aproximativ 10% mai mari decit cele din fig.8. Pe de alta parte, cind U_m=36 kV, distanta este cu aproximativ 30% mai mica. La acest nivel de tensiune a retelei, este de mentionat ca atunci cind S=1550 kV/ms (LEA pe stilpi de lemn), valoarea lui L scade brusc daca b>0,6.

Proprietatile de protectie ale descarcatoarelor pot fi reduse datorita polaritatii diferite a supratensiunii atmosferice si a valorii instantanee a tensiunii de faza. Acest lucru trebuie luat in considerare la calculul lui L. In plus, se presupune existenta unei legaturi galvanice foarte scurte intre borna de legare la pamint a descarcatorului si cuva transformatorului. Acest lucru trebuie luat in considerare la conectarea descarcatorului. Astfel devine necesara cresterea lungimii conductorului b in fig.8 datorita legaturii suplimentare la pamint. Legatura intre descarcator si echipamentul electric protejat la alte echipamente electrice determina aparitia unor oscilatii de tensiune suplimentare care se reflecta in descresterea lui L.

4          Probabilitatea de defectare a echipamentelor electrice si distanta la care se afla acestea fata de descarcator

Un descarcator plasat la distanta L de un echipament electric limiteaza valoarea supratensiunii la o valoare de BIL/1,2 atita timp cit panta S nu depaseste valoarea de:

1500 kV/ms      pentru LEA pe stilpi de lemn

800 kV/ms        pentru LEA pe stilpi cu console legate la pamint

Oricum, in medie, aceste valori ale pantei sunt depasite odata la 400 de ani. In acest caz, o supratensiune care afecteaza echipamentul electric poate atinge o valoare superioara fata de BIL, ducind la defecte permanente. Daca, spre exemplu, se ia cazul unui transformator pentru care durata de viata este estimata la 40 ani, atunci in intervalul de timp t_s=400 de ani probabilitatea ca acest lucru sa nu se intimple (aparitia unui defect permanent) este de 90%. Oricum, aceasta implica un risc datorat posibilitatii de aparitie a unui astfel de caz (probabilitate de cel mult 10%) chiar si in cazul amplasarii descarcatorului la distanta L fata de transformator.

Cu cit suma a+b a lungimilor portiunilor de linie este mai mica in comparatie cu L (fig.8), cu atit riscul de defectare este mai scazut. Cu alte cuvinte, suma a+b trebuie sa fie cit mai mica, iar L cit mai mare, valoare care se realizeaza alegind o configuratie corespunzatoare a liniei. Dupa cum se observa in fig.9, linia trebuie conectata initial la descarcator si apoi la transformator. In acest caz b=0 si L devine maxim. Valoarea a a portiunii de linie de conectare poate fi scurtata prin amplasarea descarcatorului in imediata apropiere a transformatorului. Realizind ambele conditii, devine realizabila conditia a+b<<L si astfel riscul de defectare va fi considerabil mai mic decit 10%.

Daca transformatorul este conectat la o LEA montata pe stilpi de lemn si daca

b<1m cind U_m 24 kV

b<0,6m cind U_m>24 kV

nu pot fi realizate, atunci linia trebuie modificata astfel incit referitor la supratensiunea in statie si distanta de protectie, sa se comporte la fel de favorabil ca si o LEA amplasata pe stilpi cu console legate la pamint.

Acest lucru se realizeaza relativ simplu prin legarea la pamint a armaturilor ultimilor trei stilpi dinaintea statiei. Unda de supratensiune care ajunge in acest caz la statie prin linia modificata are aceeasi forma ca si cind ar veni pe o linie montata pe stilpi cu console legate la pamint. Dezavantajul acestei solutii este acela ca supratensiunile de trasnet vor cauza aparitia descarcarilor intre conductor si pamint, datorita reducerii nivelului de izolatie al liniei. O metoda si mai eficienta decit cea prezentata este instalarea unui alt set de descarcatoare pe stilp, inainte de statie. Efectul este o reducere puternica a amplitudinii supratensiunii. In functionare, aceasta conduce la o asigurare a protectiei echipamentului de catre descarcatoare superioara celei corespunzatoare LEA pe stilpi cu console legate la pamint.