4.1.2 Construcţia unei linii Odată ce secţiunea conductoarelor, înălţimea

stâlpilor şi distanţa între stâlpi a fost determinată se poate trece la montarea conductoarele. Un conductor susţinut şi tensionat între doi stâlpi (fig.4.8), nu este orizontal. El are o formă curbată. Distanţa verticală între dreapta care uneşte doua puncte de pe suport şi punctul cel mai jos al conductorului poartă numele de săgeată. Cu cât firul este mai tensionat cu atât săgeata trebuie să fie mai scurtă. Fig.4.8 Săgeata conductorului activ Înainte de a întreprinde construcţia unei linii, trebuie făcut calculul mecanic pentru a determina săgeata şi tensiunea mecanică admisibilă a conductorului activ. Trebuie să se ţină seama de temperatura predominantă la momentul efectuării lucrări. Trebuie să se ia în considerare că săgeata nu trebuie să fie prea lungă, căci firul se va alungi datorită căldurii vara, şi distanţa dintre punctul său cel mai de jos şi pământ nu va fi suficientă din punct de vedere al izolaţiei. Pe de altă parte tensiunea mecanică nu trebuie să fie prea mare, căci există posibilitatea ca firul să se contracte în timpul iernii datorită frigului şi să devină tensionat în mod periculos. Vântul şi chiciura pot crea eforturi suplimentare care riscă să antreneze la ruperea sa. În momentul când stratul de chiciură se depune pe linie în prezenţa vântului, linia începe a oscila. Dacă condiţiile sunt favorabile, aceste oscilaţii pot deveni foarte mari; se spune astfel că linia intră în „galop”. Acest fenomen poate produce scurtcircuite între faze sau ruperea conductoarelor. Pentru a evita aceste probleme se pun uneori pe conductoarele active amortizoare care împiedică oscilaţiile să se dezvolte. 4.1.4. Punerea la pământ a stâlpilor

Stâlpii liniilor de transport se leagă la pământ cu ajutorul prizelor în scopul de a asigura o cât mai mică rezistenţă. Dacă trăsnetul atinge un stâlp, căderea de tensiune datorată curentului ce se scurge prin priza de pământ nu trebuie să depăşească tensiunea de străpungere a izolatorilor. Exemplu Se consideră o linie trifazată de 110kV a cărei izolatori au tensiunea de ţinere la unda de şoc de 450kV. Linia este prezentată schematic cu întrerupătoarele sale în figura 4.9. Presupunem că rezistenţa fiecărei prize de

pământ va fi de 20Ω . În regim normal, tensiunea dintre conductorii de linie şi sol este 110/1,73kV şi nici un curent nu circulă prin prizele de pământ. Dacă trăsnetul va atinge unul dintre piloni, eliberând brusc un curent, de exemplu 20kA, căderea de tensiune pe priza de pământ va atinge valoarea:

400000V2020000AE =×= Ω

Tensiunea dintre stâlp şi pământ fiind de 400kV, tensiunea conductoarelor în raport cu pământul va atinge pentru scurt moment valoarea: 110/1.73kV + 400kV = 464kV Cum această tensiune este superioară tensiunii de ţinere, ea va provoca străpungerea izolatoarelor. Acesta va pune cele trei linii în scurtcircuit între ele şi faţă de pământ. Curentul de scurtcircuit rezultant va acţiona deschiderea întrerupătoarelor de protecţie D şi va rezulta scoaterea din lucru al liniei. Având în vedere numărul mare de abonaţi afectaţi de aceste întreruperi pe o linie de transport, se încearcă reducerea acestui tip de defect, atât cât este posibil, asigurând o cât mai mică rezistenţă de punere la pământ.

Fig.4.9 Supratensiune în rezistenţa de legare la pământ creată de un curent de trăsnet

În exemplul precedent, dacă rezistenţa de punere la pământ a stâlpilor ar fi fost limitată la numai Ω3 , creşterea tensiunii la bornele izolatoarelor nu ar fi depăşit valoarea:

60000V320000AE =×= Ω şi nu ar fi provocat scurtcircuitul. Curenţii care apar datorită trăsnetelor au o intensitate de aproximativ 20kA, ei fiind în mod relativ destul de frecvenţi, dar ca durată nu au decât câteva microsecunde. 4.2 Realizarea unei linii electrice subterane Liniile electrice subterane (LES) sunt folosite pentru transportul şi distribuţia energiei electrice la consumatorii din oraşe, din industrie, din staţii şi centrale electrice. Faţă de liniile electrice aeriene, ele prezintă o serie de avantaje: siguranţă mărită în funcţionare, eliberarea unor suprafeţe de teren, evitarea atingerilor directe. Totodată ele prezintă şi o serie de dezavantaje: cost mai ridicat, reparare mai dificilă, construcţie mai dificilă. În funcţie de tensiunea de lucru, liniile electrice subterane se împart în: - linii electrice subterane de joasă tensiune, sub 1kV, care servesc pentru alimentarea cu energie electrică a motoarelor electrice, a iluminatului, a consumatorilor casnici, etc; - linii electrice subterane de medie tensiune, cu tensiuni mai mici decât 110kV, care servesc pentru asigurarea legăturilor dintre punctele de alimentare şi posturile sau staţiile de transformare şi pentru alimentarea motoarelor de puteri mari; - linii electrice subterane de înaltă tensiune, de 110kV sau mai mari, care servesc pentru transportul energiei electrice la staţiile de racord adânc sau la staţiile de transformare din marile aglomerări urbane. Liniile electrice subterane sunt realizate, din punct de vedere constructiv, cu ajutorul cablurilor electrice. Elementele constructive ale cablurilor sunt conductoarele, izolaţia, ecranul, mantaua şi partea exterioară. Conductoarele pot fi în număr de 1, 2, 3, 4, sunt confecţionate din aluminiu sau cupru şi pot avea forme diferite: rotund unifilar sau multifilar, sector de cerc unifilar sau multifilar, oval multifilar sau tubular multifilar. Izolaţia este realizată din policlorură de vinil (PVC), polietilenă (PE), cauciuc natural sau sintetic, hârtie impregnată cu ulei şi constituie un element de extremă importanţă din punct de vedere al fiabilităţii. Ecranul se realizează la cabluri cu tensiuni peste 6kV, fie prin înfăşurarea conductorului sub izolaţie cu o bandă de hârtie metalizată, fie prin aplicare unui strat semiconductor. Mantaua este elementul de separare dintre partea activă interioară şi partea exterioară de protecţie. Ea este element de etanşare faţă de agenţii fizici, are rezistenţă mecanică pentru a suporta solicitările mecanice şi are o conductibilitate termică cât mai bună. Materialul din care se realizează mantaua este plumbul, aluminiul sau materialele plastice. Partea exterioară este formată din învelişuri protectoare a căror formă şi material diferă funcţie de tipul şi destinaţia cablului. Din punct de vedere al tipului de răcire cablurile pot fi cu răcire naturală sau cu răcire forţată. Cablurile cu răcire naturală sunt utilizate pentru tensiuni până la 35kV, iar cele cu răcire forţată, care folosesc în acest scop un fluid (ulei, gaz) la o anumită presiune, sunt utilizate pentru tensiuni până la 750kV. Continuitatea conductoarelor, a mantalei şi a ecranelor este realizată cu ajutorul manşoanelor, care permit înnădirea cablurilor. Acestea se construiesc din fontă, fiind formate din două parţi ce se îmbină prin şuruburi. Capetele cablurilor se introduc prin feţele laterale, iar conductoarele se înnădesc prin cleme. Se reface izolaţia pe fiecare fază, se reface ecranul şi mantaua şi se toarnă în interior masă izolantă. 4.3 Parametrii şi schemele echivalente ale liniilor electrice de transport

Rolul fundamental al unei linii de transport este de a transporta o putere activă. Dacă ea trebuie să transporte în egală măsură o putere reactivă, aceasta trebuie să fie mai mică în raport cu puterea activă. În plus, pe lângă aceste

exigenţe, o linie de transport trebuie să posede următoarele caracteristici de bază:

- tensiunea trebuie să rămână constantă pe toată lungimea liniei şi pentru toate sarcinile cuprinse între zero şi sarcina nominală.

- pierderile trebuie să fie cât mai mici în scopul ca linia să posede un randament cât mai bun.

- pierderile Joule nu trebuie să provoace o supraîncălzire a conductoarelor. 4.3.2 Schemele echivalente ale liniilor electrice de transport

Liniile electrice pot fi clasificate în linii lungi şi linii scurte, în acest scop raportându-se lungimea fizică a liniilor, la lungimea de undă cu frecvenţă nominală. La frecvenţa de 50Hz, lungimea de undă este 6000 km, iar comparaţia se face cu sfertul lungimii de undă (1500 km). Astfel: - liniile cu lungime mai mare decât 1500 km sunt lungi; - liniile cu lungime mai mică decât 1500 km sunt scurte.

Liniile lungi au tensiuni nominale 110 kV, 220 kV, 400 kV, 750 kV şi servesc la transportul energiei electrice, iar liniile scurte au Un <110 kV şi servesc la distribuţia energiei electrice.

Dacă se consideră schema unei linii electrice trifazate care satisface condiţiile de simetrie a sarcinii şi tensiunii pe cele trei faze (fig.4.11), este suficient să se studieze funcţionarea unei singure faze. Conductorul de ducere este conductorul fazei, iar conductorul de întoarcere este un conductor fictiv de nul (schemă bifilară). Parametrii liniei electrice sunt repartizaţi în mod uniform pe toată lungimea liniei de aceea se poate reprezenta linia printr-o serie de circuite R, L, C identice (fig.4.12). Fiecare secţiune reprezintă un tronson al liniei de o lungime dată (de exemplu un kilometru) şi elementele R0, XL, XC reprezintă parametrii liniei corespunzători pentru această lungime. Se poate simplifica circuitul din figura 4.12 însumând toate rezistenţele pentru a obţine rezistenţa totală. În acelaşi mod, se obţine o reactanţa inductivă totală si o reactanţă capacitivă totală (în paralel).

4.12 Impedanţa liniei de transport compusă dintr-o serie de secţii identice Se împarte reactanţa XC în doua elemente de valori 2XC aflate la cele două extremităţi ale liniei. Circuitul echivalent din fig.4.13 permite o bună reprezentare

a unei linii cu frecvenţa de 50Hz când lungimea sa este mai mică de 250km. Remarcăm faptul că R şi XL cresc cu lungimea liniei, în timp ce XC scade cu aceasta Fig.4.13 Schema echivalentă a unei linii de transport cu frecvenţa 50Hz a cărei lungime nu depăşeşte 250 km În cazul liniilor trifazate, circuitul echivalent nu se reprezintă decât pe o fază. Curentul I circulă pe o fază a liniei şi tensiunea E este cea existentă între o linie şi punctul neutru N (pământ). Uneori, se poate simplifica mai mult schema echivalentă eliminând unul, două sau toate elementele din fig.4.13. Validitatea acestei simplificări depinde de importanţa relativa a puterilor PJ, QL, QC asociate cu elemente schemei, raportate la puterea activă P furnizată de linia de transport. Referindu-ne la fig.4.14, aceste puteri sunt:

- P puterea activă transportată de linie şi absorbită de sarcină;

- 2J RIP = puterea activă disipată

în linie prin efect Joule;

- 2LL IXQ = puterea reactivă

absorbită de linie;

-

C

2

C XE

Q = puterea reactivă

generată de linie. Dacă una din aceste puteri este neglijabilă prin raportare la puterea activă P transportată, se poate neglija elementul de circuit corespunzător. De exemplu, liniile cu tensiune mai mică de 1kV sunt mereu scurte astfel că valoarea reactanţei XC este foarte mare. Prin urmare, mărimea E2/XC devine neglijabilă, ceea ce permite reprezentarea aceste linii prin circuitul din fig.4.15.

săgeată

deschidere

20Ω

D

110/1.73kV (nominal)

20kA

20Ω

arc arc

400kV

În mod contrar o linie de 750kV poate fi reprezentată prin circuitul din figura 4.16, căci pierderile prin efect Joule sunt relativ mici, în timp ce puterile QC şi QL nu se pot neglija.

Deci schema electrică echivalentă a unei linii electrice este un cuadripol în ∏ sau Γ având parametri concentraţi. La liniile electrice scurte cu tensiune mică unde intensităţile curenţilor transversali pot fi neglijate, având valori mici faţă de curentul de conducţie care străbate conductorul, schema echivalentă este un dipol cu parametri concentraţi. 4.4 Parametrii şi schemele echivalente ale transformatoarelor Transformatoarele utilizate în reţelele electrice se construiesc cu două sau trei înfăşurări trifazate dispuse pe miezuri magnetice comune sau separate. Conexiunea acestor înfăşurări, precum şi forma constructivă a miezului influenţează valoarea parametrilor.

Fig.4.17 Schemele echivalente pentru transformat electrice.

Transformatorul este caracterizat prin următorii parametrii:

- puterea nominală Sn; - tensiunea nominală Un; - pierderi nominale prin efect Joule (în cupru)

determinate in regim de scurtcircuit Pcu; - pierderi în fier determinate la regimul de mers în

gol Pfe; - tensiunea de scurtcircuit Usc. Dispunerea parametrilor concentraţi se poate

realiza în T, Π, Γ (fig.4.17a,b,c) pentru transformatoare cu două înfăşurări sau în Γ şi T (fig.4.17d,e) pentru transformatoare cu trei înfăşurări.

4.5 Variaţia tensiunii şi puterii maximale

transportată Reglarea tensiunii şi puterii maxime pe care o linie

o poate transporta sunt două din cele mai importante caracteristici. Tensiunea unei linii trebuie să rămână constantă pe măsură ce puterea activă consumată pe sarcină variază. De obicei, variaţia tensiunii, de la putere 0 în plină sarcină, nu trebuie să depăşească 5% din tensiunea nominală, cu toate că uneori se poate tolera o reglare până la 10%. Este interesant de ştiut, de asemenea, puterea maximă pe care o linie o poate transporta.

Ca să cunoaştem variaţia tensiunii şi să stabilim puterea maximă transportabilă pe o linie, vom studia succesiv comportamentul a patru tipuri de linii:

- linie rezistivă; - linie inductivă; - linie inductivă cu compensare; - linie inductivă legând două mari reţele.

4.5.4 Linie inductivă ce leagă două reţele

Marile centre de utilizare a energiei electrice sunt întotdeauna interconectate prin una sau mai multe linii de transport. Aceste interconexiuni ameliorează stabilitatea reţelei şi îi permite să suporte mai bine perturbaţiile cauzate de scurtcircuite şi alte întreruperi. Mai mult, interconexiunile permit schimburi de putere între companiile de electricitate din ţară sau din ţări vecine.

Pentru aceste linii, tensiunile la extremităţi rămân constante. Ele sunt determinate de necesităţile celor două regiuni deservite care reacţionează fiecare ca două reţele infinite independente.

Fig.4.21 Linie inductivă ce leagă două

reţele mari. ES în avans faţă ER (a), ES în întârziere faţă de ER (b).

Tensiunile ES şi ER sunt în fază. În acest caz, curentul pe linie este nul şi nu este transportată nici o putere. Tensiunea ES este

defazată cu un unghi θ în avans faţă de ER (fig.4.21a). Regiunea S furnizează atunci energie regiunii R şi se găseşte că puterea activă transportată este dată de ecuaţia:

θsinL

2

XE

P =

unde: P este puterea activă transportată pe fază (W); E este tensiunea de fază [V];

LX este reactanţa inductivă pe fază [ ]Ω ;

θ este unghiul de defazaj între tensiuni la cele două extremităţi a liniei.

Din această relaţie se deduce relaţia următoare care este utilizată atunci când se tratează reţele trifazate de înaltă tensiune:

unde: Pt puterea activă totală transportată pe o linie trifazată [MW]; EL tensiunea de linie [kV]; XL reactanţa inductivă pe fază [Ω]; θ unghiul de defazaj între tensiunile la cele două extremităţi ale liniei.

Figura 4.22a arată curba puterii active în funcţie de unghiul de defazaj. Se constată că puterea transportată creşte progresiv pentru a atinge o valoare maximă E2/XL atunci când defazajul θ între cele două reţele este 90°.

Fig.4.22 Caracteristicile P = f(θ) (a), ES = f(P) (b) ale unei linii ce leagă două reţele

O linie ce leagă două reţele impune de asemenea o limită a puterii maxime pe care o poate transporta. Această limită este aceeaşi ca aceea pentru o linie inductiv compensată. În ciuda faptului că teoretic se poate transporta o putere şi când unghiul θ este superior lui 90°, se evită această condiţie, căci ea corespunde unui punct de funcţionare instabil. Când unghiul θ este vecin cu 90° (puţin peste 90°) întrerupătorul de linie poate opri circuitul.

Căderea de tensiune EX în linie poate fi considerabilă, chiar dacă tensiunile ES şi ER la cele două extremităţi sunt egale. Este evident că, tensiunea EX este cu atât mai mare cu cât defazajul între ES şi ER este mai mare.

Tensiunea ES este defazată cu un

unghi θ în urma tensiunii ER (fig.4.21b). Puterea activă este deci dată de ecuaţia 4.15, dar de această dată ea circulă din regiunea R către regiunea S. Curba de putere în funcţie de unghiul de defazaj θ este identică cu aceea din fig.4.22 şi în ceea ce constă stabilitatea.

Dacă se compară fig.4.21a şi 4.21b, se constată că sensul circulaţiei puterii nu depinde de valorile relative ale tensiunilor ES şi ER (ele sunt legate), ci de defazajul între ele.

4.5.5 Puterea transportată de o

linie electrică S-a văzut că puterea P pe care o linie

o poate transporta, pentru o reglare dată,

este proporţională cu raportul ZE 2L /

unde LE este tensiunea de linie şi Z

este impedanţa sa. Deoarece această impedanţă este proporţională cu distanţa la care se măsoară, se deduce că

tensiunea iniţială LE este dată de o

expresie de forma:

lPkEL ⋅= unde: EL este tensiunea de linie [V]; P este puterea transportată pe trei faze; l este distanţa de transport [m]; k este factor aproximativ care depinde de reglarea permisă şi de tipul de linie. Pentru o reglare a tensiunii de 5%, avem: - k = 0,1 pentru o linie fără compensare; - k = 0,06 pentru o linie cu compensare.

Formula furnizează doar un ordin de mărime al tensiunii EL, căci valoarea finală aleasă depinde de factori economici şi de alte consideraţii. În general, tensiunea adoptată este cuprinsă între 0,5 EL şi 1,5 EL.

Există întotdeauna o limită a puterii pe care o linie o poate transporta. Această putere maximă este proporţională cu pătratul tensiunii şi invers proporţională cu impedanţa de linie. Fig.4.23 permite să se compare puterile şi tensiunile pentru cele patru tipuri de linii. Fiecare linie posedă o impedanţă de Ω10 şi sursa furnizează o tensiune ES de 10KV. Dacă se tolerează o reglare maximă de 5% a tensiunii, puterile care se pot transporta sunt limitate la valorile din figură.

În plus, cum liniile posedă întotdeauna o anumită rezistenţă, s-a trasat, cu titlu de interes, curba de reglare corespunzătoare unei linii compensate având o reactanţă de Ω8,9 şi o

rezistenţă de Ω2 . Curba (trasată punctat), indică atunci că puterea maximă ajunge la 8MW, comparativ cu 10MW pentru o linie care nu posedă nici o rezistenţă.

Fig.4.23 Compararea puterii transportate pe o linie.

4.5.6 Metode pentru a creşte puterea transportată

Liniile de înaltă tensiune sunt întotdeauna inductive şi ele posedă o reactanţă de aproximativ 0,5Ω/km. Aceasta creează probleme când se transportă puteri importante pe lungimi mari. Presupunem, de exemplu, că trebuie să se transporte o putere de 5000MW pe o distanţă de 300km. Reactanţa de linie pe fiecare fază va fi:

150ΩkmΩ

0,5300km =×

Cum cea mai înaltă tensiune practică este de 750kV, linia poate transporta o putere maximă de:

( )3750MW

150750KV

XE

P2

L

2L

max ===

Deoarece această putere este insuficientă, singura soluţie este de a utiliza două linii în paralel, una alături de alta. Notăm că este inutil să se dubleze grosimea conductorilor căci reactanţa şi nu rezistenţa firelor este cea care determină puterea maximă. Pentru puteri crescute există trei şi chiar patru linii trifazate care urmează aceeaşi traiectorie traversând terenul. În plus creşterea costurilor pune mari probleme.

Din această cauză, s-a recurs la alte metode pentru a creşte puterea maximă a unei linii. Când nu mai este posibil să se mai crească tensiunea unei linii, se încearcă să se diminueze reactanţa sa

LX .

Prima metodă constă în a utiliza conductoare fasciculare ceea ce reduce reactanţa cu aproape 40% şi permite astfel o creştere a puterii a puterii transportate cu 67%.

O a doua metodă pentru a creşte puterea transportată constă în a lega condensatori XCS, în serie cu conductoarele de linie pentru a se reduce artificial valoarea XL.

Astfel puterea maximă devine:

)(maxCSL

2L

XXE

P−

=

unde: XCS este reactanţa capacitivă a condensatoarelor pe fază.

Această compensare serie este utilizată şi pentru a regla tensiunea pe liniile de medie tensiune când sarcina prezintă variaţii bruşte. La un scurtcircuit pe linie, tensiunea la bornele condensatoarelor serie poate depăşi limitele permise şi trebuie să se prevadă eclatoare pentru a scurtcircuita condensatoarele.

4.7 Scheme electrice de conexiuni 4.7.1 Scheme electrice de conexiuni folosite la staţiile electrice de înaltă şi medie tensiune Schemele electrice pot avea următoarele reprezentări:

- redusă (principială), în care apar numai elementele centrale ale instalaţiei, fără aparate de măsură, etc;

- monofilară, în care fiecare circuit este reprezentat printr-o singură fază; se marchează aparatele esenţiale (întrerupătoare, separatoare, reductoare de curent şi tensiune), iar unele circuite pot fi completate cu indicaţii asupra aparatelor;

2

sinLt

L

EP

Xθ=

- trifilară (multifilară), în curent continuu şi în curent alternativ trifazat, unde este necesar să se explice aparatele pe diferite faze; schema se poate executa numai cu aparatele de înaltă tensiune sau şi cu cele de joasă tensiune;

- de serviciu, în care se reprezintă complet toate aparatele, instrumentele, firele de legătură, circuitele de comandă, semnalizare, protecţie prin relee (cuprinzând şi mărcile de borne ale aparatelor şi instrumentelor, etc.) Energia electrică produsă în centralele generatoare este transformată în staţiile electrice de transformare unde are loc o creştere a tensiunii de la valoarea medie la tensiunea înaltă necesară pentru a asigura un transport economic de energie. Tensiunea înaltă utilizată pentru transport trebuie să fie din nou redusă în staţiile electrice de distribuţie situate aproape de marile centre de consum. Aparatajul electric utilizat în aceste posturi este asemănător celui utilizat în staţiile electrice de transformare.

4.7.1.1 Aparate electrice folosite în staţiile electrice de înaltă şi medie tensiune Cea mai mare parte a staţiilor şi posturilor de transformare conţin următoarele aparate principale: - întrerupătoare; - separatoare; - transformatoare de putere; - transformatoare de tensiune şi curent; - reactanţe de linie; - paratrăsnete. In descrierea care urmează se va arăta principiul de funcţionare a acestor aparate. Întrerupătorul este un aparat care poate întrerupe curenţii importanţi, este vorba de curentul nominal sau de curenţii de defect. El poate fi comandat de la faţa locului sau prin telecomandă. In plus, întrerupătorul deschide automat un circuit în care curentul depăşeşte o valoare predeterminată. El întrerupe curenţii mari de scurtcircuit şi joacă acelaşi rol ca o siguranţă, dar funcţionarea sa este sigură şi nu este nevoie să-1 schimbăm la fiecare întrerupere. Întrerupătoarele cele mai răspândite sunt: 1. întrerupătoarele cu ulei; 2. întrerupătoarele cu aer comprimat; 3.întrerupătoarele cu SF6; 4. întrerupătoarele cu vid Datele nominale ale unui întrerupător sunt curentul nominal de regim permanent, curentul de rupere (curentul maxim pe care întrerupătorul poate să-1 întrerupă), tensiunea nominală, timpul de deschidere în cicluri, puterea de rupere în MVA. Graţie unui suflaj energic şi a unei deionizări rapide a aerului, ele reuşesc să deschidă circuitul într-un timp cuprins între trei şi opt cicluri. O deschidere rapidă permite să se reducă pagubele la linii şi la echipamente şi ceea ce este important, împiedică reţeaua să devină instabilă.

Fig.4.30 Circuit de comandă pentru deschiderea unui întrerupător Deschiderea întrerupătorului poate fi comandată direct prin trecerea curentului printr-o bobină de declanşare sau, mai frecvent, prin intermediul unui releu. Acest releu este un dispozitiv care poate descoperi condiţii anormale în reţea. De exemplu în figura 4.30, bobina releului este alimentată de curentul secundarului unui transformator de curent înseriat cu unul din conductoarele de linie protejate. Dacă în linie curentul depăşeşte o valoare determinată, curentul secundarului care parcurge bobina releului provoacă închiderea contactelor C1 şi C2. închiderea acestor contacte realizează continuitatea circuitul de alimentare al bobinei de declanşare. Aceasta provoacă deschiderea contactelor principale şi celelalte operaţii necesare la stingerea arcului.

1. întrerupătoarele cu ulei se compun în principal dintr-o cuvă ce conţine ulei izolant, borne de intrare din porţelan la extremităţile cărora se găsesc contacte fixe şi un contact mobil acţionat de deplasarea unei tije izolată.

In momentul suprasarcinii, bobina de declanşare eliberează un resort puternic care se destinde antrenând tija izolată şi provoacă deschiderea contactelor. în

momentul separării contactelor, arcul electric se stabileşte şi volatilizează uleiul care îl înconjoară. Presiunea gazului astfel produsă, agită energic uleiul. Uleiul rece reuşeşte să răcească arcul şi să-l destind sa –l

destindă. In întrerupătoarele moderne de mare putere, arcul se produce într-o cameră unde marea presiune rezultată la evaporarea uleiului este utilizată pentru a forma un jet puternic de ulei. Acest jet de ulei este dirijat pe arc pentru al destinde. în alte dispozitive arcul este deviat şi alungit prin acţiunea unui câmp magnetic care îl fracţionează printr-o serie de plăci izolante. 2. întrerupătoarele cu aer comprimat provoacă stingerea arcului suflând aer la viteze supersonice între contactele care se separă. Aerul este păstrat în rezervoare la o presiune de ordinul a 3MPa, graţie unui compresor situat în postul de transformare. Deschiderea acestor întrerupătoare se poate face într-un interval cuprins între 3 şi 6 cicluri, la o tensiune de. Zgomotul de la deschidere necesită întotdeauna măsuri de insonorizare. 3. întrerupătoarele cu gaz SF6 (hexaflorură de sulf) sunt utilizate când trebuie reduse dimensiunile întrerupătorului, de exemplu în posturile de transformare din centrul oraşelor. Aceste întrerupătoare blindate permit o mare economie de spaţiu totodată fiind mai silenţioase ca cele cu aer comprimat. 4. întrerupătoarele în vid funcţionează pe un principiu diferit de celelalte întrerupătoare, deoarece absenţa unui gaz evită problema ionizării pe perioada deschiderii contactelor. Aceste întrerupătoare sunt sigilate ermetic de natură că nu există nici o problemă de contaminare sau de zgomot. Tensiunea lor de rupere este limitată la o valoare de 30kV. Pentru tensiuni înalte se montează mai multe module în serie. Întrerupătoarele cu coarne sunt aparate care pot deconecta curenţi mici capacitivi de linie de transport sau curenţi de excitaţie ai transformatoarelor, dar nu pot întrerupe curenţi de sarcină normală. Acesta conţine o lamă mobilă şi o falcă fixă montată pe izolatori şi în plus două prelungiri (coarne) care se separă la deschiderea contactelor principale. Arcul de rupere se stabileşte între coarne şi se măreşte sub acţiunea combinată a curentului de aer cald şi a câmpului magnetic pe care îl produce la stingerea sa. Aceste coarne se erodează gradual, dar ele sunt uşor de înlocuit. Separatoarele nu sunt dotate cu nici o putere de rupere. Ele permit deschiderea unui circuit în absenţa curentului electric. Ele servesc la repararea şi la izolarea vizibilă a liniilor şi întrerupătoarelor sau a altor părţi de reţea. Separatorul este înzestrat cu un dispozitiv de închidere, care îl împiedică să se deschidă sub acţiunea forţelor electromagnetice interne produse de curenţii de scurtcircuit. Separatoarele de punere la pământ sunt întrerupătoare de securitate care izolează un circuit şi care, graţie punerii lor la pământ, împiedică apariţia tensiunii pe o linie în timpul reparaţiei. Descărcătoarele sunt aparate destinate limitării supratensiunilor impuse transformatoarelor sau a altor dispozitive, aparate şi maşini electrice prin trăsnet şi prin manevra de conectare a liniilor şi a transformatoarelor. Partea superioară a unui descărcător este legată la una din fazele liniei protejate şi partea inferioară este conectată la sol prin punere la pământ cu rezistenţă mică, în general mai mică decât un ohm.

Fig.4.31 Caracteristicile unui descărcător având tensiunea nominală 30kV Descărcătorul este construit dintr-un tub de porţelan izolat în care sunt montate în serie o mulţime de discuri şi eclatoare. Un resort menţine ansamblul sub presiune. Eclatoarele sunt constituite din doi electrozi separaţi printr-un strat subţire de aer. Discurile sunt formate dintr-un material de natură ceramică şi de carbură de siliciu. Această substanţă are posibilitatea să ofere o rezistenţă care variază invers proporţional cu tensiunea care îi este aplicată. Rezistenţa sa scade cu cât tensiunea creşte. Când tensiunea între faza liniei şi sol este normală, stratul de aer între electrozii eclatoarelor se opune la trecerea curentului. Când tensiunea pe linie depăşeşte o valoare oarecare, un arc se amorsează între eclatoare şi leagă efectiv linia la pământ prin seria de discuri care nu prezintă atunci decât o rezistenţă mică. Sarcina electrică acumulată pe linie se scurge în pământ. Când descărcarea este terminată, discurile prezintă din nou o rezistenţă ridicată, arcul se stinge şi tensiunea redevine normală. Figura 4.31 prezintă curbele caracteristice pentru un descărcător destinat să protejeze o linie electrică. Din ce în ce mai mult se utilizează descărcătoare cu oxid de zinc, numite şi cu oxid de metal. Ele sunt compuse dintr-o serie de pastile cu rezistenţă non-lineară introduse într-un tub de porţelan. Absenţa eclatoarelor şi a altor dispozitive auxiliare conduce la o caracteristică E-I mult mai plată ca acea a elementelor cu carburi de siliciu ceea ce reprezintă un avantaj important. Este important ca temperatura şi tensiunea în regim permanent să nu depăşească valorile admisibile ale descărcătorului.

Descărcătoarele oferă şi protecţie contra supratensiunilor, ele permit de asemenea reducerea tensiunii de ţinere la unda de şoc a tuturor aparatelor instalate în posturile de transformare. Pe reţeaua de înaltă şi medie tensiune se realizează astfel economii la costurile aparatajului.

Bobinele de reactanţă au rolul de a limita curentul de scurtcircuit la o valoare inferioară curentului de rupere al întrerupătorului.

Intr-o staţie de transformare există un grup de transformatoare alimentate la tensiune înaltă care în secundar sunt cuplate la o bară de medie tensiune. Bara de medie tensiune alimentează mai multe artere (linii de alimentare sau fideri) care deservesc regiunea înconjurătoare.

Figura 4.32 prezintă un transformator trifazat de 69MVA, 220kV/24.9kV, având o impedanţă de 9,5% care alimentează o bară trifazată de 24,9kV. Bara este o sursă care alimentează opt artere trifazate identice.

Fig.4.32 Transformator trifazat dintr-o staţie electrică ce alimentează 8 fideri Analizăm caracteristicile acestui montaj: 1. Curentul nominal în secundarul transformatorului este: 2. Fiecare fider poate furniza sarcinii sale un curent nominal: 3. Rezultă că fiecare fider trebuie protejat printr-un întrerupător de 200A, având o putere de rupere de 4000A.

4. Deoarece impedanţa transformatorului este de 9,5%, el poate furniza la scurtcircuit un curent:

min 160016842

% 0,095no al

SC

II A

Z= = =

5. Apare problema, producerii unui scurtcircuit înaintea postului, de exemplu pe fiderul numărul 2. Acesta şi întrerupătorul său sunt parcurse de un curent de 16,8kA de 80 de ori mai mare ca cel nominal. Deoarece curentul de rupere al întrerupătorului este de 4000A, acesta se va distruge la deschiderea circuitului. în plus, fiderul riscă să ardă pe toată lungimea sa şi se poate produce o veritabilă explozie în punctul de defect. 6. Pentru a evita acest pericol, plasăm o bobină de reactanţă în serie cu fiecare fază a fiderului (fig.4.33). Această reactanţă trebuie să limiteze curentul de rupere al întreruptorului, dar impedanţa sa trebuie să fie destul de mică pentru a se evita o cădere de tensiune excesivă la sarcină nominală.

Fig.4.33 Bobină de reactanţă montată pe fider în scopul reducerii curentului de scurtcircuit In acest exemplu limităm curentul de scurtcircuit la 4000A, iar valoarea reactanţei pe fază este:

Transformatorul de punere la pământ este necesar într-o reţea trifazată pentru a crea un fir neutru în scopul convertirii acesteia într-o reţea trifazată cu patru fire. Acesta este de fapt un autotransformator trifazat ale cărui înfăşurări sunt legate în zig zag conform schemei din figura 4.34

Dacă conectăm o sarcină monofazată între linie şi pământ, curentul I se divide în trei curenţi egali 1/3 în înfăşurări. Cum aceşti curenţi rămân egali, punctul neutru N nu se deplasează şi tensiunile rămân echilibrate, ca în cazul unei reţele de patru fire. în practică, repartizăm sarcinile monofazate în mod egal între cele trei faze şi pământ, deci curentul I care circulă în firul neutru este un curent monofazat scăzut.

4.7.1.2 Scheme cu bare colectoare simple

Semnul distinctiv al barei colectoare (BC), în reprezentarea monofilară, este o linie groasă (precizarea numărului de faze fiind opţională). Schema cu bare colectoare simple (fig.4.35) este soluţia pentru instalaţii de tensiune mică, cu putere redusă şi număr mic de manevre (tensiuni 6...35 kV, cu număr redus de celule). Soluţia se foloseşte în posturile trafo urbane. Avantajul principal al BC simple este realizarea ieftină, cu puţin material. In schema din fig. 4.35 trei transformatoare, cuplate la BC, alimentează liniile L1, L2. Cuplarea la BC a liniilor şi transformatoarelor se face prin întrerupător I şi separator S.

669 101600

24900 1,733S x

I AxE

= = =

1600200

8A

A=

3,60,0095 9,5

2 2 50LX

L H mHf xπ π

= = = =

Fig.4.35 Schemă cu bare colectoare simple In cazul scurtcircuitului K1, pentru a izola

defectul, întrerupătorul I2 declanşează, iar restul instalaţiei continuă să funcţioneze (defect în aval de BC). La scurtcircuitul K2 în transformator, izolarea defectului se face prin declanşarea întrerupătorului I3. Porţiunea defectă este separată de restul instalaţiei, care continuă să funcţioneze.

In cazul scurtcircuitului K3, scurtcircuit pe BC, este necesară deconectarea tuturor întrerupătoarelor I1, I2...I5, pentru a izola bara defectă şi a o remedia, rezultând un defect grav. La scurtcircuitul K4 situat la separatorul de bare al liniei L1, în mod analog scurtcircuitului K3, rezultă un defect grav.

Dezavantajul BC simple se vede în cazul scurtcircuitului de tipul K3, K4, când se întrerupe alimentarea cu energie electrică a consumatorilor. Rolul întrerupătorului I este de a cupla sau decupla celula (de linie sau trafo) de la BC. Rolul separatorului S este numai de a separa vizibil BC de elementele celulelor. Separatorul nu este conceput pentru a întrerupe / a cupla un curent sub sarcină (generator, transformator) de la / la BC. în astfel de cazuri arcul neputând fi întrerupt, se întinde şi datorită încălzirii puternice, conturnează izolatorul. Arcul se deplasează către o fază vecină, producând unul dintre cele mai grave defecte, scurtcircuitul la bare (se topesc legăturile, se rup barele). Remedierea unui astfel de defect are consecinţe economice grave. Din acest motiv orice manevre de aparataj de comutaţie primară se efectuează numai într-o succesiune strictă de operaţii, consemnată într-o foaie de manevră. De exemplu:

- la închiderea unui circuit separatoarele se închid înaintea întrerupătorului, iar la deschiderea circuitului, numai după deschiderea întrerupătorului (fără ca acestea să închidă sau să deschidă curentul de sarcină al circuitului); la deschiderea unui circuit aparatele se deconectează dinspre consumator spre sursă (pentru linia L1, întâi SI1, apoi Sb ambele după deconectarea I1), iar la închiderea circuitului succesiunea este inversă (întâi Sb, urmează SI1, apoi conectarea I1).

4.7.1.3 Schema cu bare colectoare duble Soluţia cu BC duble (fig.4.36) se aplică când se impun următoarele condiţii: - un număr mare de celule; - un număr mare de manevre; - siguranţă sporită pentru anumiţi consumatori.

Fig.4.36 Schemă cu bare colectoare Fiecare din sistemele SI, SII ale BC este trifazat.

In funcţionare normală, se utilizează un singur sistem de BC, celălalt fiind rezervă (la noi este in funcţiune SI). Prin intermediul separatoarelor SbG1', SbG2' SbL, elementele schemei sunt legate la sist de bare SI

La apariţia unui defect pe SI, sistemul de bare este scos de sub tensiune. După sesizarea defectului se decuplează întrerupătoarele I1, I2, IL de la SI, (apoi se deschid separatoarele legate la sistemul SI, corespunzătoare acestor circuite). Pentru alimentarea sistemului de bare SII, se închid întâi separatoarele SbG1, SbG2, SL', corespunzătoare circuitelor G1, G2. respectiv L aflate pe sistemul de bare SII, după care se cuplează şi întrerupătoarele I1, I2, respectiv IL. Aceste manevre de trecere de pe sistemul SI pe sistemul SII a ansamblului de circuite necesită câteva minute, faţă de durata mult mai mare necesară pentru remedierea defectului. In cazul unei manevre de trecere de pe sistemul SI pe sistemul SII, pentru o lucrare planificată, trecerea se poate face iară întreruperi. Se închide întâi separatorul SbG1 astfel punându-se sub tensiune şi sistemul SII, apoi se închid şi separatoarele SbG2, SL'. In acest moment funcţionează ambele sisteme SI, SII. Acum se pot deschide, întâi SbL, apoi SbG1', SbG2', sistemul de bare SI rămânând fără tensiune. Dezavantajele BC duble sunt: - construcţia a două rânduri de bare; - prevederea unui număr dublu de separatoare şi a legăturilor între perechile de separatoare; - efectuarea manevrelor este destul de dificilă şi necesită un plus de atenţie datorită complexităţii schemei.

4.7.2 Scheme electrice cu posibilităţi de mărire a elasticităţii şi îmbunătăţirii fiabilităţii 4.7.2.1 Cupla transversală

In cazul BC duble, trecerea unui circuit de pe un sistem al BC pe celălalt necesită întreruperi. în schemele cu număr mare de circuite se prevede o legătură între cele două sisteme BC, formată de întrerupătorul ICt, separatoarele SC1, SC2, numită cuplă transversală. în fig.4.39 generatoarele G1, G2, G3 sunt cuplate la sistemul SI şi alimentează liniile L1, L2, L3. Presupunem că linia L3 a fost în reparaţie şi este necesar să fie pusă sub tensiune. Dacă se cuplează întrerupătorul IL3 la SI, există riscul ca în cazul unei remedieri necorespunzătoare să decupleze IL3 prin protecţiile sale sau, mai grav, se ajunge la o întrerupere generală prin decuplarea întrerupătoarelor generatoarelor.

Dacă se leagă linia L3 separat la SII (astfel se deschide întrerupătorul IG3, apoi separatorul SG31 decuplându-se generatorul G3, se închide SG32, apoi întrerupătorul IG3 cuplându-se generatorul G3 la SII) este necesar să se închidă separatoarele SL32, SL3 şi întrerupătorul IL3. In acest mod L3 este pusă sub tensiune pe cale separată, iar dacă există un defect pe linia L3, se decuplează numai întrerupătorul IL3. In acest moment există două sisteme separate, sistemul SI, alimentat de la generatoarele G1, G2 şi sistemul SII, alimentat de la generatorul G3. Aceste sisteme pot fi puse în paralel prin întrerupătorul ICt al cuplei transversale (punerea în paralel se face cu condiţia unor sisteme trifazate de tensiuni identice pe sistemele de bare SI şi SII), în

cazul obişnuit se păstrează în funcţiune un singur sistem de bare SI, astfel se închid

separatoarele SG31 SL31, se deschid separatoarele SG32, SL32 şi apoi se decuplează întrerupătorul ICt al cuplei transversale. Avantajele cuplei transversale sunt următoarele:

- secţionarea sistemului în mai multe zone, pentru limitarea curenţilor de scurtcircuit;

- întrerupătorul ICt poate servi pentru separarea unei porţiuni defecte din sistem, trecând această zonă pe un sistem de bare separat cu ajutorul Ict;

- pentru situaţii speciale când un consumator nu poate accepta întreruperea alimentării pe perioada reviziei sau reparaţiei întrupătorului, cupla poate fi utilizată ca întrerupător (vezi cazul barei de transfer). în această perioadă cupla transversală şi sistemul BC sunt imobilizate. Printre dezavantajele cuplei transversale se pot enumera: - manevrele sunt ample, complicate;

- întrerupătorul Ict poate fi parcurs de curenţi importanţi, care trec dintr-un sistem al BC în celălalt; acesta are un curent nominal ridicat, fiind mai solicitat decât întrerupătoarele de pe circuitul generatoarelor, din acest motiv este un aparat puternic, greu, scump. 4.7.2.2 Scheme cu posibilităţi de reducere a curentului de scurtcircuit Înserierea unei bobine de reactanţă în calea curentului de scurtcircuit Există trei moduri de integrare a reactorului într-o schemă de staţie 6-10 KV. Unul din moduri este racordarea unei surse suplimentare la bornele unei instalaţii (generator până la 6-10 kV) prin bobina de reactanţă BR (fig.4.44a). Circuitul sursei se divizează prin câte un reactor BR1, BR2 şi se leagă la secţiile de bare a şi b ale unui sistem secTionat.

Fig.4.44 Racordarea unei surse suplimentare prin bobină de reactanţă (a), varianta cu bobină divizată (b). In fig.4.44b se prezintă o soluţie mai eficientă, care utilizează reactorul divizat în două jumătăţi, între care apare efectul inducţiei mutuale M. în regim normal de funcţionare, când curenţii In în cele două jumătăţi sunt de sensuri opuse, reactanţă BR este:

( ) ; 0,5RX L M M Lω= − ⋅ ≈

(pt curenti In egali)

Coeficientul de cuplaj reduce la jumătate reactanţă bobinelor. In cazul scurtcircuitului K, curenţii care parcurg cele două secţii sunt de acelaşi sens, inductivitatea M se înseriază cu L mărind reactanţă în calea curentului de scurtcircuit:

2 ( )totalX L M ω= ⋅ + ⋅

(pt. curenti egali IX1=IX2) Un alt mod de racordare al bobinelor de reactanţă este atât pe BC cât şi pe circuitele de plecare din BC (fig.4.45) pentru instalaţiile de putere mare (12-15MW). Reactorul de bare se instalează între secţiile longitudinale, micşorând contribuţia surselor G2,T2 la scurtcircuitul K1 sau a surselor G1,T1 la scurtcircuitul K2. Fig.4.45 Racordarea bobinelor de reactanţă atât pe BC, cât şi pe circuitele de plecare din BC.

Fig. 4.46 Montarea bobinelor de reactanTa in aval (a), in amonte (b), cu celule prefabricate (c) Pentru instalaţii mai ample cu peste trei generatoare, mai adecvat este sistemul de bare în formă de buclă (inel), prezentat în fig.4.45 cu linie punctată. Se separă fiecare sursă

(generator, transformator) prin câte un reactor Rb. Reactoarele de linie Ri se montează numai pe plecările în cablu, considerându-se că în cazul LEA reactanţa mult mai mare limitează curentul de scurtcircuit.

Montarea bobinelor de reactanţa pe plecările în cablu se poate face în aval faţă de întrerupător (fig.4.46a) sau în amonte (fig.4.46b). In montajul aval, reactanţa limitează curentul de scurtcircuit la consumator. La defecte pe bară, limitarea curentului de scurtcircuit revine reactorului de pe bare. în montajul amonte, cu reactor plasat înaintea întrerupătorului I, nu mai există riscul unui scurtcircuit nelimitat de reactanţa XR. Acest montaj este mai dificil de realizat, (reactorul este greu, necesitând instalaţii speciale de ridicat la nivelul barelor BC). In instalaţiile curente de azi se folosesc celule prefabricate pentru echipamentele cablurilor (fiderilor) spre consumator (fig.4.46c). De regulă, la fiecare celulă de bare cu reactor, se montează două legături de cablu Cb1, Cb2. 4.7.2.3 Cupla longitudinală

La o instalaţie cu BC simple se poate secţiona sistemul în două jumătăţi legate printr-o cuplă longitudinală CI. Cele două sisteme pot lucra separat, fiecare alimentând consumatorii săi (fig.4.47), astfel reducându-se curentul de scurtcircuit.

Fig.4.47 Interconectarea secţiilor Sa şi Sb cu ajutorul cuplei longitudinale Dacă sarcina este redusă sau în cazul avariei uneia dintre sursele de alimentare, se leagă cele două secţii prin cupla longitudinală CI, făcându-se toate manevrele de punere în paralel a surselor de pe secţiile Sa şi Sb. Cupla CI, fiind parcursă de totalitatea curenţilor de scurtcircuit, are o construcţie grea (reactorul R poate fi pe CI). Ea se montează dificil în instalaţii şi este mai rar întâlnită la BC simple. La BC duble, se impune mai întâi montarea cuplei transversale şi apoi a cuplei longitudinale, în caz de nevoie (fig.4.48). în acest sistem cupla longitudinală este folosită în timpul manevrelor, de aceea este necesar ca separatoarele de cuplă să stea închise, iar întrerupătoarele deschise. în soluţia din fig.4.48 cupla este imobilizată dacă s-a făcut legătura între secţiile SIa şi SIb. Acest lucru se poate evita trecând de pe secţia SI pe secţia SII. Un alt mod de a elibera CI este montarea separatorului SI între barele SIa şi SIb, manevrele făcându-se astfel: cupla CI iniţial este închisă, se închide SI, se deschide CI, separatoarele cuplei CI rămân închise.

Fig.4.48 Schema cu BC duble cu secţiile Sla şi

SIb conectate prin cuplă longitudinală

Pentru separarea secţiilor SIa, SIb legate prin separatorul SI, manevrele sunt următoarele: se închide CI, apoi se deschide SI. Soluţia din fig.4.48 are nevoie de trei întrerupătoare de cuplă. în cazuri excepţionale poate apare nevoia secţionării şi a sistemului SII Numărul mare de cuple scumpeşte însă mult instalaţia şi din acest motiv se utilizează în măsură însemnată cuplele combinate (fig.4.49).

In fig.4.49a este reprezentată cupla longo-transversală, cu varianta în cruce (fig.4.49b). In varianta b întrerupătorul Cl-t îndeplineşte următoarele funcţii: pe drumul 'abcf' este longitudinală şi leagă SIIa cu SIIb; pe drumul 'dcbe' este longitudinală şi leagă SIa cu SIb; pe drumul 'abcd' este transversală şi leagă Sla cu Sila; pe drumul 'ebcf' este transversală şi leagă SIb cu SIIb. In acest caz sistemul realizează toate posibilităţile de manevră cu un singur aparat. Când acesta a executat o operaţie, este însă blocat pentru toate celelalte şi de asemenea, acesta este foarte solicitat.

Fig.4.50 Cuplă combinată transversală şi de transfer.

O cuplă combinată transversală şi de transfer Ct-tf este reprezentată in fig.4.50. Pe drumul 'acde' Ct-tf este cuplă transversală, iar pe drumurile 'acdf', 'bcdf' este cuplă de transfer.

4.7.2.6 Instalaţii fără bare colectoare Instalaţiile fără bare colectoare pot fi utilizate pentru tensiuni foarte înalte, unde nivelul de asigurare al fiecărei legături trebuie să fie foarte ridicat sau la staţiile destinate alimentării unor consumatori, unde se permite reducerea investiţiei, în balanţă cu un anumit nivel de continuitate în alimentare.

A. - In figura 4.54 se prezintă scheme poligonale (în buclă), cu întrerupătoarele plasate în serie pe legătura în buclă, care necesită o dimensionare la curentul total ce le traversează. în figura. 4.54a bucla este simplă, iar numărul de întrerupătoare este egal cu cel al celulelor. Se poate realiza revizia unui întrerupător, fără a întrerupe consumatorii, prin desfacerea buclei şi izolarea întrerupătorului cu ajutorul separatoarelor adiacente. La defecte de tipul K, protecţia celulei L3 comandă deschiderea întrerupătoarelor IA şi IB, apoi deschiderea separatorului SI3, astfel linia L3 defectă este izolată şi

se pot închide întrerupătoarelor IA şi IB, refăcându-se poligonul.

Fig. 4.54 Scheme in bucla simpla (a), dubla (b) Siguranţa în funcţionare este mai mare, cu condiţia păstrării tuturor întrerupătoarelor în stare de funcţionare şi a poligonului închis (ceea ce nu este valabil în perioada de reparare şi revizie la un întrerupător I). Pentru instalaţii de foarte mare importanţă (750kV) se utilizează varianta in buclă dublă fig.4.54b. Fiecărei linii i se asociază doua transformatoare. La scurtcircuitul K 1 , linia L 1 este izolată prin deconectarea celor două întrerupătoare adiacente. La scurtcircuitul K2 se deconectează cele trei întrerupătoare adiacente.. B. - Schemele cu mai puţin de un întrerupător pe circuit sunt utilizate în alimentarea unor zone de consum. Pentru o zonă nouă de consum există mai multe posibilităţi de racordare la sistemul energetic (fig.4.55)

Fig. 4.55 Variante pt. staTii de racord adânc Racordul adânc (RA) se face la o arteră de transport (LEA) sau la un sistem de

distribuţie a energiei care trece prin vecinătatea zonei de consum. Ambele staţii A şi B din figura 4.55 sunt staţii de producere a energiei. RA poate fi: - simplu circuit (a), cu racordare printr-un singur circuit; - dublu circuit (b), prin derivare de la o linie dublu circuit; - dublu circuit prin secţionarea liniei (c). Pt consumatorii de categoria II si III este necesara folosirea a 2 surse de alimentare a racordului adânc (fig. 4.55 b, c). In acest caz se utilizează schemele in „H” din fig. 4.56

Fig. 4.56 Variante de scheme de racord adânc in H Pe partea de înaltă tensiune (110 KV) există o legătură în H care uneşte cele două circuite. De asemenea, pe partea de înaltă tensiune lipsesc BC şi există trei întrerupătoare I1, I2, I3 pe două circuite (0.75/ circuit). In varianta 'a' există o bună protecţie a liniilor, astfel încât la o avarie de tip K1 declanşează întrerupătorul I1, a doua linie alimentând ambele transformatoare T1, T2. în cazul scurtcircuitului K2 în transformator, acesta este izolat prin deconectarea întrerupătoarelor I1, I3, I4 care încadrează zona defectă, iar consumatorii rămân alimentaţi de o linie şi un transformator. Pentru revenirea la buna funcţionare (dublă alimentare) este necesară închiderea separatorului de transformator şi apoi a întrerupătoarelor I1 şi I3. In varianta 'b' avaria K1 pe o linie duce la declanşarea întrerupătoarelor I1 şi I3 rămânând o singură cale de alimentare a consumatorilor L2, T2. La defecţiunea K2 în transformator se deschid întrerupătoarele I1 şi I4 ale transformatorului, ambele linii rămânând în funcţionare.

Alegerea unei scheme depinde de aparatajul existent şi de ponderea avariilor. La pondere mai mare a avariilor pe linii se utilizează varianta 'a', iar la pondere mai mare a avariilor pe transformator se utilizează varianta 'b'. 4.7.3 Criterii de alegere a schemelor de conexiuni

Alegerea unei scheme are la bază noţiuni fundamentale cum ar fi: elasticitatea, gradul de manevrabilitate, comportarea în anumite situaţii de funcţionare, adaptabilitatea la cerinţele

locale ale sistemului energetic. Alegerea unei scheme depinde de caracteristicile echipamentului care stă la dispoziţie şi poate fi utilizat în situaţia dată.

Elementele echipamentului electric se caracterizează, din punct de vedere constructiv, prin anumiţi parametri nominali. Dintre aceştia, tensiunea şi curentul sunt fundamentali. La alegerea oricărui echipament sunt necesare următoarele:

- tensiunea nominală a elementului ales trebuie să fie egală sau mai mare decât tensiunea nominală a circuitului în care trebuie să fie instalat;

- curentul nominal trebuie să fie mai mare sau egal decât curentul maxim de exploatare a circuitului în care urmează să fie instalat. După alegerea echipamentului electric pe baza parametrilor nominali In,Un, se impune verificarea la acţiunea curenţilor de scurtcircuit în perioada de acţionare a protecţiilor. Pentru generatoare şi transformatoare nu se face verificarea la curenţii de scurtcircuit. Pentru restul echipamentului este necesară verificarea la acţiunile electrodinamice şi termice ale curenţilor de scurtcircuit. Decizia asupra soluţiei are caracter tehnico-economic. Elementul economic este legat de mărimea investiţiei în echipamentul ales, pentru realizarea schemei şi în costul terenului ocupat (cheltuieli fixe), la care se adaugă un număr de cheltuieli variabile.

Un parametru important este legat de fiabilitatea schemei, care se determină prin metode adecvate, pornind de la parametrii de fiabilitate - intensitate de defectare (reparare) λ (µ), asociaţi legii de repartiţie exponenţiale a variabilelor aleatoare "durată de bună funcţionare" ("durată de reparaţie"). Evaluarea fiabilităţii impune calculul unui parametru foarte important al analizei tehnico-economice, "daunele" provocate consumatorului prin întreruperea alimentării cu energie electrică, în urma apariţiei unor defecte în schemele din centrale şi staţii electrice.. 4.8.1.2 Particularităţile amplasării diferitelor categorii de echipamente A. Distanţe de izolaţie. Distanţe de protecţie. Distanţe de lucru Amplasarea diverselor echipamente şi părţi conductoare, care compun schema de conexiuni într-o anumită soluţie constructivă, este funcţie de distanţele care se pot adopta, astfel încât instalaţia să funcţioneze fără defecţiuni sub acţiunea tensiunii de regim normal şi să facă faţă eventualelor supratensiuni care pot apărea. In concordanţă cu valorile tensiunilor care constituie nivelul de izolaţie, tensiunile maxime de serviciu, tensiunile atmosferice, tensiunile de comutaţie, tensiunile de durată de 50 Hz prevăzute în standardele de coordonare a izolaţiei (STAS 6489-81), se determină o anumită distanţă în aer la care posibilitatea de amorsare sub acţiunea acestor tensiuni este practic zero. Această distanţă este standardizată sub denumirea de 0% şi este limita inferioară a distanţelor de izolaţie do între conductorul metalic aflat sub tensiune şi elemente ale clădirii sau construcţiei aflate la potenţialul solului, care trebuie respectată (fig.4.59b). Distanţa de izolaţie d între părţile metalice a două faze diferite este: d=1,1*d0

Exploatarea permanentă a instalaţiilor de distribuţie impune asigurarea unor anumite zone în care prezenţa personalului de lucru să fie posibilă. Din acest motiv sunt necesare ziduri de protecţie, îngrădiri de plasă, balustrade care închid incintele în care se află echipamentul sub tensiune. Acestea se află la potenţialul pământului şi dimensiunile lor se aleg în funcţie de cele ale corpului uman: 1800 mm la ziduri şi îngrădiri, 1200 mm la balustrade. Faţă de aceste elemente de protecţie permanente, instalaţia trebuie realizată cu respectare unor anumite distanţe de protecţie. Distanţele de protecţie sunt corelate cu cele de izolare conform relaţiilor (4.29): Dzid=d0 + 30, dplasa = d0 + 100 , dbal = d0 + 750 [mm] In afara distanţelor de izolaţie şi protecţie, soluţiile constructive trebuie să permită activitatea normală de reparaţie şi întreţinere curentă, asigurându-se distanţe de lucru. în acest scop se standardizează distanţele faţă de sol (dsol) ale elementelor aflate sub tensiune. Distanţa dsol depăşeşte cu 2.500 mm distanţa de izolare d0, această valoare reprezentând înălţimea unui om cu mâna ridicată (4.30): dsol = d0 + 2500 [mm] B. Premize de proiectare a soluţiilor constructive pentru instalaţiile de distribuţie Pentru fiecare aparat sau legătură din schema electrică există norme de amplasare care vor fi sintetizate în cele ce urmează:

1. - întrerupătoarele I se instalează separat de dispozitivele de acţionare ale acestora (DAI); dispozitivele de

acţionare se instalează pe un perete solid care le separă de întrerupător;

- se evită montarea în interior a întrerupătorului cu ulei puţin; este obligatorie marcarea poziţiei aparatului la faţa locului; 2 - transformatoarele de putere se instalează în încăperi închise, individuale, cu excepţia transformatoarelor cu aceeaşi destinaţie de putere mai mică decât 1000 KVA, care se pot instala două câte două; - încăperile au ieşire separată către exterior, cu pardoseală şi pereţi neinflamabili; - în funcţie de cantitatea de ulei din transformator, măsurile de protecţie contra incendiului variază de la materiale rezistente la foc destinate a reţine tot uleiul (pentru o cantitate mai mică de 600 kg), la aparate colectoare, cuplate cu sisteme eficiente de evacuare a uleiului; 3. - în instalaţiile cu BC duble, separatoarele se montează pe pereţi despărţitori verticali, sub bare; în fig.4.60 se pot pune în evidenţă un sistem de pereţi despărţitori, peretele P1 separă sistemele BCI şi BCII; peretele P2 separă separatoarele SB1, SB2;

Fig. 4.60 Montarea separatoarelor in intalatii cu BC duble - la apariţia unor incidentele în exploatare, pereţii P3, P4 separă barele colectoare BC de separatoarele de bare SB1, respectiv SB2; - conductoarele circuitului penetrează prin pereţii despărţitori cu ajutorul izolatoarelor de trecere IT; la instalaţiile cu un singur sistem de bare BC, cu întrerupător izolat în cameră de explozie, separatorul de bare se instalează pe pereţii camerei de explozie; 4. - separatorul de linie SI se instalează pe un perete despărţitor. Acesta este prevăzut cu cuţite de legare la pământ SP. Acţionarea SP (legarea la pământ) este blocată cât timp SI este închis, pentru a nu se putea lega linia la pământ cât timp aceasta este sub tensiune; deblocarea SP are loc când SI este deschis. 5. - Instalaţia de distribuţie până la 35kV inclusiv se realizează în celule metalice prefabricate; instalaţia are culoare pe ambele părţi, de unde se pot manevra întrerupătorul, separatorul de bară, separatorul de linie, separatorul de punere la pământ. 4.9 Soluţii de distribuţie a energiei electrice pe medie şi joasă tensiune 4.9.1 Reţele de distribuţie de medie tensiune

Pe liniile aeriene pot apare deseori scurtcircuite cauzate de diverşi factori: ruperea conductoarelor, gheaţă, echipamente defecte, fire conductoare care se ating, etc. Studiile statistice demonstrează că mai puţin de 85% din aceste scurtcircuite sunt temporare şi nu durează decât o fracţiune de secundă. Aceleaşi studii relevă că 70% dintre scurtcircuite se fac între o fază şi pământ şi că scurtcircuitul implicând cele trei faze este rar. Metodele de protecţie ale linilor aeriene se realizează conform acestei statistici şi au ca scop asigurarea continuităţii în alimentarea cu energie electrică. 4.9.1.1 Coordonarea protecţiilor

Intr-un scurtcircuit, curentul rezultat afectează nu numai circuitul pe care are loc scurtcircuitul ci şi toate circuitele

conectate cu punctul de defect. Pentru ca acest curent să nu provoace deschiderea simultană a tuturor dispozitivelor de protecţie asociate, trebuie să coordonăm protecţiile acestor circuite.

Fig. 4.75 Dispozitive de protecţie intr-o reţea de medie tensiune O bună coordonare trebuie să conducă la deschiderea dispozitivelor situate mai aproape de scurtcircuit şi să lase intact restul reţelei. Deci trebuie să reglăm curentul de declanşare şi timpul de deschidere a fiecăruia din aceste dispozitive, restrângând la minim numărul de clienţi afectaţi de defecţiune. Considerăm, de exemplu, reţeaua din figura 4.75 alcătuită dintr-o linie principală care alimentează mai multe linii derivate. Instalăm un dispozitiv de protecţie P în amonte pentru fiecare linie, astfel că, dacă survine o defecţiune pe o linie, aceasta şi numai acesta să fie deconectată de la reţea. Astfel, un scurtcircuit în punctul 1 trebuie să provoace deschiderea lui P1 dar nu şi a lui P2. în acelaşi mod, un scurtcircuit în punctul 2 trebuie să provoace deschiderea lui P3 nu şi a lui P4, şi aşa mai departe. Cum deschiderea unui circuit avariat se face numai în câteva cicluri, coordonarea diverselor dispozitive de protecţie necesită temporizări diferite care se măsoară în milisecunde. Trebuie deci să cunoaştem cu precizie, atât intensitatea curenţilor care apar în cazul unui posibil defect, cât şi caracteristicile fuzibilelor şi a întrerupătoarelor pentru coordonarea activităţii lor în timp. Principalele dispozitive de protecţie pentru liniile de MT sunt: - siguranţa-separator; - întrerupătorul cu reanclanTare automată; - secţionorul. 4.9.2.2 Dispozitive de protecţie pentru reţele electrice de medie tensiune O siguranţa-separator cu expulzare dirijată este un aparat care îndeplineşte simultan funcţiile de separator şi siguranţă, ceea ce conduce la economie de materiale şi spaţiu. Fuzibilul este montat pe stâlp şi îl putem debranşa ca pe un separator. El este izolat de sol prin doi izolatori. Aceste fuzibile sunt puţin costisitoare şi se utilizează pentru protejarea transformatoarelor şi branşamentelor monofazate contra supra-curenţilor. Construcţia lor este astfel concepută încât, atunci când fuzibilul se arde, port-fuzibilul (separatorul) basculează, indicând astfel prezenţa unui defect în aval. La anumite tipuri de întrerupătoare cu mare putere de rupere, firul fuzibil este întins de un resort şi plasat într-un tub de porţelan sau sticlă plin cu acid boric, ulei sau tetraclorură de carbon. Elementul fuzibil evident trebuie să fie înlocuit după fiecare întrerupere, ceea ce provoacă o oprire prelungită. Pentru asigurarea unei bune coordonări, caracteristicile de rupere curent/timp sunt riguros alese pentru fiecare circuit întrerupt. Niciodată nu trebuie să înlocuim un element ars cu unul de calibru diferit.

Întrerupătorul cu reanclansare automată sau „recloser” deschide circuitul la apariţia unui defect şi îl reînchide după o întârziere cuprinsă între o fracţiune de secundă şi câteva secunde. Secvenţele de deschidere şi de reînchidere se repetă de două sau trei ori conform programării dispozitivelor de comandă interne. Dacă scurtcircuitul nu dispare după 2 sau 3 tentative de reînchidere, recloser-ul deschide definitiv circuitul şi o echipă de reparaţii trebuie să meargă la locul defectului pentru rearmare. Recloserele de 20kV pot întrerupe curenţi de defect mai ridicaţi de 12000A. Aceste aparate sunt disponibile în versiuni monofazate şi trifazate şi pot fi amplasate pe stâlp. Altele sunt instalate în postul de transformare pentru protejarea unei artere principale. Ele sunt autonome deoarece utilizează, pentru funcţionarea şi rearmarea lor, energia furnizată de reţea sau înmagazinată în resoarte. Secţionoarele sunt aparate cu deconectare automată rapidă, comandate de dispozitive de protecţie, destinate pentru separarea de la reţea a sectoarelor avariate. Acestea se utilizează atunci când o linie de alimentare cuprinde mai multe dispozitive de protecţie şi este dificil de făcut o coordonare acceptabilă bazată numai pe temporizarea circuitelor întrerupte. Se va utiliza deci un auto-separator a cărui deschidere depinde de numărul de operaţii succesive realizate de un recloser situat în amonte. Considerăm, de exemplu, un recloser R şi un secţionor S ce protejează o linie de alimentare importantă (fig.4.76). Dacă se produce un defect în punctul F, recloserul deschide şi reînchide circuitul potrivit unei secvenţe predeterminate. Un dispozitiv instalat în interiorul auto-separatorului numără întreruperile şi înainte ca secvenţa să se termine, auto-separatorul deschide propriile contacte şi debranşează abonaţii C şi D. Aceasta permite recloserului să reînchidă linia o ultimă dată şi să asigure astfel serviciul abonaţilor A şi B situaţi în amonte de auto-separator. Ca orice separator, auto-separatorul nu întrerupe curenţii, astfel că deschiderea sa trebuie să se facă în timpul intervalului în care recloserul este deschis.

Fig.4.76 Schemă de protecţie cu recloser şi secţionor Secţionoarele sunt disponibile în versiuni monofazate şi trifazate. Ele au mai multe avantaje privind circuitul întrerupt: le putem reînchide fără pericol într-un circuit defect şi ele nu generează întârzierile provocate în cazul înlocuirii unui element fuzibil de calibru apropiat. Schemele de protecţie pentru circuitele de MT aeriene sunt caracterizate de multitudinea punctelor de separaţie automată şi de utilizarea aparatelor automate de

secţionare şi de reanclanşare. Gama aparatelor disponibile permite rezolvarea, într-un mod satisfăcător, a tuturor problemelor de protecţie pe care le întâlnim în reţelele aeriene prin una din modalităţile de coordonare a protecţiilor:

- întrerupător-fuzibil; - întrerupător-fuzibil-fuzibil; - întrerupător-recloser-fuzibil; - întrerupător-recloser-secţionor; - întrerupător-secţionor-reclose-secţionor-fuzibil, etc. In centrele cu mare densitate de sarcină, liniile sunt relativ scurte, deci acestea au o posibilitate de avariere relativ mică. Ne vom limita deci la a le diviza în 3 sau 4 tronsoane prin siguranţele-separator, utilizarea recloserelor sau a secţionoarelor nu este deci necesară. La periferia zonelor urbane, o linie de MT poate atinge cu ramificaţiile sale principale o lungime considerabilă, ea este expusă la o foarte mare probabilitate de defect. Pentru asigurarea unei continuităţi de serviciu acceptabilă, vom secţiona circuitele cu ajutorul recloserelor şi secţionoarelor.

4.9.2 Reţele de distribuţie de joasă tensiune (JT) Am văzut că energia electrică este livrată consumatorilor plecând de la staţiile de transformare, trecând prin circuitele de MT, transformatoarele de distribuţie şi în final prin circuitul de joasă tensiune (JT). Transformatoarele de distribuţie sunt amplasate în vecinătatea consumatorilor şi ele micşorează tensiunea la o valoare apropiată de cea necesară aparatelor de uz casnic şi industrial. Din posturile de transformare pleacă conductoare de JT numite legături de distribuţie care transportă în final energia electrică la abonaţi. Există mai multe sisteme de distribuţie de JT. 4.9.2.2 Legarea la pământ a instalaţiilor electrice Legarea la pământ a instalaţiilor electrice constituie o metodă foarte eficace de prevenire a anumitor accidente provocate de curentul electric. în cele ce urmează ne vom limita la câteva cazuri importante. Majoritatea instalaţiilor de JT sunt puse la pământ, prin legarea unui conductor la o conductă de distribuţie a apei. Atunci când un sistem de canalizare nu este disponibil, una sau mai multe tije metalice înfipte în pământ pot servi de legătură la masă. Rezistenţa de punere la pământ trebuie să fie inferioară valorii de 25Ω. Această exigenţă este relativ uşor de îndeplinit în prezenţa unui sistem de canalizare, într-o regiune rurală realizarea este foarte dificilă. Punerea la pământ oferă diverse avantaje, dar în reţelele de JT scopul său principal este de reducere a pericolului de electrocutare. Este de asemenea dificil de precizat limita tensiunilor periculoase, în care pericolul depinde totdeauna de curentul ce traversează corpul uman, iar intensitatea sa este determinată de rezistenţa de contact şi rezistenţa corpului. Se admite în general, că orice intensitate a curentului inferioară celei de l0mA nu este periculoasă; între l0mA şi 20mA intensitatea este periculoasă, şi ea poate fi mortală pentru valori mai mari de 50mA. Rezistenţa corpului uman măsurată între mâini sau o mână şi un picior este de ordinul a 500-1000Ω. Rezistenţa de contact joacă un foarte mare rol. Rezistenţa de contact a pielii unei mâini uscate poate fi superioară valorii de 50000Ω astfel încât contactul momentan cu conductoare aflate la tensiune mare de 5000V (5000V/50000Ω = 10mA) poate să nu genereze moartea. Din contră, rezistenţa de contact a unei mâini umede poate avea o valoare aproape nulă, astfel că, orice tensiune alternativă mai mare de 25V (25V/500Ω = 50mA) poate fi mortală când o persoană se găseşte în contact cu conductoarele aflate la această tensiune. Curentul alternativ provoacă contracţii musculare care împiedică subiectul să se dezlipească de conductor. Curentul este foarte periculos atunci când traiectoria sa traversează corpul trecând prin regiunea inimii. Trecerea sa provoacă paralizia şi, dacă este prelungită, fibrilaţia şi oprirea inimii. în acest ultim caz, electrocutatul are şanse să fie reanimat prin respiraţie artificială. Studiile statistice au dovedit că valoarea curentului I care poate provocă moartea depinde de timpul de aplicare, potrivit ecuaţiei empirice următoare:

unde: I este curentul ce traversează corpul [mA]; t este durata şocului (t T 8ms ÷ 5s); 116 este o constantă empirică.

Un curent de 116mA circulând timp de o secundă poate provoca moartea. De fapt,

s-a estimat că dacă o persoană suferă un şoc la un curent care satisface această ecuaţie, ea are o şansă la zece de a muri. Legarea la pământ a sistemelor de distribuţie de 120V şi de 120/240V

Circuitele individuale cu distribuţie secundară sunt alimentate de transformatoare de distribuţie conectate la o linie de medie tensiune care are neutrul pus la pământ (fig.4.80a). Presupunem că tensiunea primară este de 14,4kV.

Dacă nici un conductor din circuitul secundar nu este pus la pământ, la prima vedere o persoană care atinge unul din cele două conductoare nu se va electrocuta, pentru că circuitul de întoarcere prin pământ este deschis. De obicei, există un cuplaj capacitiv între primarul şi secundarul transformatorului care poate conduce la o tensiune forte ridicată între o fază din secundar şi sol. Această tensiune poate atinge 20% sau 40% din tensiunea primară. Dacă o persoană atinge una din bornele secundare, curentul capacitiv I0 care traversează corpul său (fig.4.80b), poate fi periculos.

Fig.4.81 Contact accidental ce produce o tensiune înaltă pe reţeaua de 120V (a) şi o circulaţie a curentului de defect, dacă conductorul de nul este pus la pământ (b) Constatăm deci, că un astfel de circuit de distribuţie secundar fără legare la pământ, va fi extrem de periculos în anumite condiţii anormale. Dacă, din contră, conductorul N a circuitului secundar este pus la pământ, contactul accidental al conductoarelor de înaltă şi de joasă tensiune produce un scurtcircuit net şi o circulaţie a curentului de defect care este indicată punctat în figura 4.81b. Acest curent intens provoacă deschiderea întrerupătorului din primarul transformatorului şi întreruperea tensiunii care alimentează defectul. Când priza de legare la pământ are o rezistenţă foarte mică, tensiunea alternativă între conductoare şi sol se menţine în general la o valoare puţin superioară celei de 120V. Din contră dacă rezistenţa de legare la pământ este ridicată, căderea de tensiune produsă de trecerea curentului de scurtcircuit devine importantă, tensiunea firului de nul N în raport cu pământul, poate atinge o valoare periculoasă. De exemplu, dacă rezistenţa de punere la pământ este de 10Ω, curentul de defect de 300A va produce o tensiune de ordinul a 3000V pe conductoarele 1, 2 şi N în raport cu pământul. Această supratensiune nu va dura decât o fracţiune de secundă, acesta fiind timpul necesar pentru deschiderea dispozitivului de protecţie şi stingerea scurtcircuitul.

Legarea la pământ a echipamentelor

Consumatorii de electricitate sunt constant în contact cu echipamentele electrice de orice tip. Tensiunea de alimentare şi curenţii asociaţi acestor echipamente depăşesc mult ceea ce poate tolera corpul uman. în consecinţă, trebuie să se ia măsuri speciale pentru a ne putea asigura că le putem atinge fără probleme. Pentru a înţelege modalităţile de legare la pământ a unui sistem de distribuţie modernă, considerăm o sursă de 220V de la care este alimentat un motor M (fig.4.82). neutrul reţelei este legat la pământ în cofretul branTamentului Presupunem că motorul face parte dintr-un aparat electrocasnic şi batiul motorului este în legătură cu carcasa metalică. O persoană poate atinge carcasa metalică fără a se electrocuta, cu condiţia ca aparatul să nu fie defect. Cum carcasa nu este legată la circuitul electric, potenţialul său în raport cu solul este nul. Fig.4.82 O carcasă metalică nelegată la pământ prezintă pericol de electrocutare. Presupunem că izolaţia dintre circuitului electric al motorului şi carcasa acestuia se străpunge şi rezistenţa Re scade de la megaohmi la câţiva ohmi. Potenţialul carcasei poate urca deci la 220V. în consecinţă, atunci când o persoană atinge carcasa metalică, rezistenţa corpului uman Rb oferă o cale prin care circulă curentul IF spre pământ, cum se vede în figura 4.82. Curentul IF ce traversează corpul persoanei riscă să reprezinte un pericol ridicat, în consecinţă, acest montaj nu este sigur. Pentru a preveni astfel de accidente, putem lega carcasa metalică la conductorul neutru (fig.4.83). în acest caz ia naştere un curent IF care circulă prin înfăşurarea motorului, batiu, carcasa metalică şi se închide prin firul neutru. Cum carcasa este la acelaşi potenţial cu firul neutrul, pericolul de electrocutare este împiedicat. Totodată, această soluţie prezintă încă un pericol în eventualitatea în care firul de nul se întrerupe, fie prin accident, fie din cauza unei instalaţii greşite. Dacă firul de nul se întrerupe accidental, atunci faza circuitului va fi legată direct la carcasă prin conexiunea NG şi un contact al persoanei cu carcasa poate fi fatal. Dacă s-ar inversa conductorul de nul cu cel de lucru şi pornirea sau oprirea aparatului este făcută de o persoană în contact cu carcasa metalică, aceasta riscă să fie electrocutată chiar dacă întrerupătorul este deschis, deoarece potenţialul sursei este şi pe carcasa metalică (fig.4.84). Deci conductorul neutru nu trebuie racordat niciodată la carcasa metalică a echipamentului.

Fig.4.83 Racordarea carcasei metalice la conductorul de nul al reţelei de alimentare.

Fig.4.84 Inversarea conductorului de fază cu cel de nul prezintă pericol de electrocutare, dacă nulul este legat la carcasă şi întrerupătorul este deschis. Pentru a evita acest pericol de electrocutare, se instalează al treilea conductor, numit nul de protecţie, la care este conectată carcasa metalică (fîg.4.85). Nulul de protecţie este legat la pământ. Nulul de protecţie este izolat şi culoarea materialului electroizolant trebuie să fie verde. Cea mai mare parte a bornelor monofazate sunt astfel dotate cu trei contacte: un contact sub tensiune, un contact neutru şi unul de punere la pământ. Rezultă că aparatele electromagnetice şi uneltele portabile sunt alimentate de un cablu cu trei conductoare. Dispozitivele cu carcasă de plastic sunt excluse de la această cerinţă, ele fiind alimentate de un cablu cu o fază şi firul

neutru.

116I

t=

Fig.4.85 Nulul de protecţie la care este conectată carcasa metalică permite obţinerea unei securităţi sporite. In rezumat, toate aparatele având carcasă metalică trebuie să aibă o priză de împământare, de asemenea carcasele motoarelor maşinilor instalate în uzine. Rezultă că toate carcasele sunt legate împreună prin unul sau mai multe conductoare. Se spune atunci că sunt puse la masă. Masa este ea însăşi legată la pământ prin unul sau mai multe conductoare de punere la pământ.

4.9.2.3 întrerupătorul diferenţial Metoda de punere la pământ pe care am descris-o este în general satisfăcătoare, dar în unele cazuri este necesar să se ia măsuri pentru o siguranţă sporită. De exemplu, presupunem că o persoană atinge conductorul sub tensiune punând degetul în interiorul duliei unei lămpi. Chiar dacă învelişul metalic este pus la masă, persoana se va electrocuta. Presupunem că un prăjitor de pâine cade într-o piscină. Rezistenţele şi bornele aflate sub tensiune produc un curent periculos care circulă peste tot în apă, chiar dacă aparatul este pus la pământ. Întrerupătoarele diferenţiale au fost create pentru întreruperea sursei de tensiune încă de la producerea accidentului. Acestea pot deschide circuitul în 25ms, dacă curentul de defect depăşeşte 5mA. Care este principiul de funcţionare al acestui tip de întrerupător?

Fig.4.86 La atingerea directă a conductorului de alimentare, persoana nu este protejată. In figura 4.86 curentul de alimentare IL revine la sursa pe 3 cai. Astfel, se poate returna se poate returna prin firul neutru IN ceea ce este normal pentru un curent de sarcină. Dependent de circumstanţe, o parte se poate returna prin nulul de protecţie IG şi prin sol IS. Suma curenţilor IG şi IS constituie curentul de defect IF. Putem deci scrie: IL = IN + IG + IS = IN + IF

de unde IF = IL - IN Curentul de defect este deci egal cu diferenţa între curentul de linie şi curentul pe conductorul neutru. în condiţiile normale curentul de defect este mai mic de 1mA, iar diferenţa de curenţi (IL - IN) este neglijabilă. Dacă IF creşte din anumite motive, diferenţa (IL - IN) poate fi sesizabilă.

Rolul întrerupătorului diferenţial este de detectare a acestei diferenţe şi de deschidere a circuitului când IF depăşeşte limitele admisibile. Un mic transformator toroidal de curent înconjoară conductorul sub tensiune şi conductorul neutru, cum indică figura 4.87, iar secundarul acestuia este racordat la întrerupătorul D foarte sensibil, conectat în serie cu linia de 220V. Întrerupătorul se deschide imediat ce o tensiune EF slabă apare la bornele secundarului. în condiţii normale, curentul IL în conductorul de alimentare este egal cu curentul IN din neutru. în consecinţă, curentul rezultant, circulând în miezul toroidal, este nul, fluxul este deci nul la fel ca şi tensiunea EF la bornele secundare. întrerupătorul va rămâne închis.

Fig.4.87 întrerupătorul diferenţial întrerupe circuitul când curentul de defect depaseste 5mA Presupunem acum că un curent de pierderi IF (datorat sumei pierderilor IS şi IG) circulă de la conductorul de alimentare la sol. Atunci curentul care circulă în interiorul torului nu mai este zero ci este egal cu IF. Acesta produce un flux în miez şi o tensiune EF ce acţionează întrerupătorul. Deoarece se detectează un curent IF mai slab de 5mA, miezul transformatorului trebuie să aibă permeabilitate mare. De aceea, utilizăm adesea un material magnetic la care permeabilitatea relativă este de 40000, la o densitate de flux de 4mT.