Curs 6 Aspecte ale CEM in electroenergeticausers.utcluj.ro/~denisad/Compatibilitate Electromagnetica... · 2019. 12. 11. · a acumularii progresive de sarcini in norii de furtuna,

Curs 6

Aspecte ale CEM in electroenergetica

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA

CURS AN IV, Specializarile: ET, I&AD, IM

AN UNIVERSITAR: 2016-2020

http://users.utcluj.ro/~denisad

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – Curs 6

Daca peste tensiunea nominala se suprapune o supratensiune sau un impuls de

tensiune apare asa numita supratensiune tranzitorie caracterizata prin:

- frontul de unda (masurat in microsecunde)

- gradientul (masurat in Kv/microsecunde)

Aceasta supratensiune tranzitorie determina aparitia unor perturbatii in retelele

electrice care afecteaza echipamentele electrice, provoaca radiatii electromagnetice

si provoaca un impuls de energie care poate distruge echipamentele electrice.


- Supratensiuni de comutatie produse de manevrele efectuate in retelele

electrice

- Supratensiunile cu front foarte rapid

- Supratensiunile temporare

- Supratensiuni produse de lovituri directe si indirecte de trasnet.

3/65


6.1. Supratensiuni de comutatie

Supratensiuni tranzitorii cu front lent a caror durata este mai mica de

cateva zeci de ms; frontul are durata de 20-5000 μs iar spatele o durata de

pana la 20 ns.

4/65

- Conectarea si deconectarea liniilor electrice in gol;

- Eliminarea unor defecte din reteaua electrica prin deconectarea

intrerupatoarelor, comandata de sistemele de protectii prin relee;

- Deconectarea brusca a sarcinii de la sfarsitul unei linii electrice;

- Deconectarea sarcinilor inductive sau capacitive de valoare redusa;

- Lovitura directa de trasnet pe o linie electrica aeriana, la distanta mare

de statia de transformare.


6.2. Supratensiuni cu front foarte rapid

Prezinta o forma de impuls oscilant amortizat cu durate de actiune

cuprinse intre 3 ns si maxim 100 ns;

Sunt caracterizate printr-un spectru bogat de frecvente inalte (frecventa

oscilatiei fundamentale:30-300 kHz, frecventa oscilatiilor suprapuse: 0,3-100

MHz)

- Comutatiile, realizate de separatoare cu contacte in aer sau in SF6 sau de

intrerupatoare cu contacte in vid sau SF6

- Trasnetele, caracterizate de curenti cu panta foarte mare sau de

amplitudini foarte ridicate

- Impulsul EM nuclear care are drept cauza exploziile nucleare de mare

amplitudine

- Cedarile de izolatie, provocate fie de supratensiuni cu FFR, fie de catre

alte tipuri de supratensiuni, fie chiar de tensiunea normala de fucntionare,

daca izolatia a suferit un proces de degradare in timp.

5/65


6.3. Supratensiuni temporare

Constituie componenta permanenta a unor regimuri tranzitorii in

sistemele electroenergetice;

Sunt supratensiuni preponderent de frecventa industriala avand o

durata relativ mare, de la cateva perioade ale tensiunii pana la ordinul

orelor.

Clasificare:

Grupa A: Supratensiuni temporare cu frecventa oscilatiilor egala cu

frecventa industriala sau apropiata de aceasta (deconectare brusca a

sarcinii, sc. nesimetrice, rezonanta produsa de intreruperea unei faze…)

Grupa B: Supratensiuni temporare cu frecventa oscilatiilor mai mare decat

frecventa industriala (au forma unor oscilatii sinusoidale de frecventa

industriala peste care se suprapun armonice de rang superior)

Grupa C: Supratensiuni temporare cu frecventa oscilatiilor mai mica decat

frecventa industriala

6/65


DESCARCARI ELECTRICE INTER- SI INTRA - NORI → FULGERE

DESCARCARI ELECTRICE NOR-SOL → TRASNET

- Pierderi de vieti omenesti, incendii si perturbatii EM in

sistemele electroenergetice si de telecomunicatii...

- Pot fi determinate mai usor caracteristicile lor optice si

electrice si astfel se pot cunoaste mai bine mecanismele

lor de formare

6.4 Supratensiuni produse de lovituri directe si indirecte de trasnet

7/65


Copac lovit de trasnet- Palatul Ferrovie Tedesche - Monaco di Baviera, Italia

(mai 2003)

8/65

COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – Curs 6 9/65

Rafinaria Pertamina, Cilacap/Java, 1665

[Museo di Scienze Naturali Alto Adige]


Daune provocate de supratensiuni, ca urmare a descarcarilor electrostatice

asupra unei celule de 20 kV


Transformator de 110 kV afectat de trasnet


Se poate spune ca:


Trasnetul apare ca urmare

a acumularii progresive de

sarcini in norii de furtuna,

denumiti:

nori cumulo - nimbus

Trasnetul = descarcare

electrica cu lungimea de cativa

kilometri asociata unui impuls

de curent tranzitoriu de foarte

mare amplitudine.

Trăsnetul este o descărcare electrică produsă, pe timp de furtună, între nori şi

pământ.

19/65


10 mai 1752

Primul experiment care

pune in evidenta faptul ca

fulgerul este un fenomen

electric

Realizat de Dalibard a

Marly vicino Parigi

[http://www.sciencephoto.com/media/224634/view]

20/65

http://www.sciencephoto.com/image/224634/large/H4040315-Dalibard_s_lightning_experiment,_1752-SPL.jpg


[Lit.: Feuer, Blitz und Funke; Technischen Hochschule,

München, September 1665]

Iunie 1752

Benjamin Franklin

realizeaza un experiment cu

ajutorul unui zmeu

21/65

6 august 1753

Profesorul Richmann de

la Academia din San

Petersburg a murit in timpul

unui experiment legat de

fulger


[Lit.: Feuer, Blitz und Funke; Technischen Hochschule,

München, September 1665]

22/65


In general, trasnetul loveste in

structurile cele mai inalte fata de sol

[http://banateanul.gandul.info]

23/65


Exista insa si exceptii

24/65


FORMAREA UNEI FURTUNI:

Existenta unui mediu umed

Formarea unui curent de aer ascendent

Determina o deplasare ascendenta a coloanei de aer cald,

care poate deveni o miscare turbulenta

25/65

FORMAREA NORILOR DE FURTUNA:

Cand aerul cald se ridica el se raceste

La o anumita inaltime, temperatura scazuta face ca vaporii invizibili de

apă din aer sa se condenseze în picături de apă vizibile sau în cristale de

gheață

Majoritatea picăturilor se formează când vaporii de apă se condensează

în jurul unui nucleu de condensare, o particulă minusculă de fum, praf,

cenușă sau sare



Miscarea ascendenta a aerului cald

este turbulenta si determina, printr-un

proces complex, ionizarea picaturilor

de apa.

Particule de apa

Particule de gheata

- Pe timp frumos campul electric atmosferic la sol inregistreaza valori de cateva sute de V/m

- In apropierea unui nor de furtuna aceste valori incep sa se inverseze si apoi sa creasca puternic

→ 10-20 kV/m : DESCARCARE ELECTRICA LA SOL (TRASNET)

27/65

http://www.windows2universe.org/earth/Atmosphere/images/lightning_stroke_jpg_image.html

Trăsnetul este o descărcare electrică produsă, pe timp de

furtună, între nori şi pământ.

Pe durata furtunilor, câmpul electric atmosferic atinge valori de

zeci de kV/m, fapt care favorizează apariţia fenomenului de trăsnet.

Intensitatea curentului de trăsnet atinge valori de zeci până la

sute de kA, iar durata lui (formată din mai multe impulsuri) poate fi

de până la 1 secundă.

FENOMENUL DE TRĂSNET


Partea inferioară a norului se încarcă de obicei negativ → acumulare de sarcini

pozitive pe toate elementele care se găsesc la sol, acumulare care va fi cu atât

mai importantă pe vârfurile metalice.


Separarea sarcinile pozitive şi negative în interiorul norilor cumulo-nimbus.

(t = 0 ms)

Sarcini pozitive

(10-100 C)

Sarcini negative

29/65


Descărcare preliminară în interiorul norilor (preliminary breakdown)

(t = 1ms)

30/65

Se iniţiază o descărcare coborâtoare negativă (t = 1,2 ms)


Traseul de descărcare coborâtoare negativă se desfășoară în mai multe

faze de timp şi printr-o succesiune de ramificări radiale, sub formă de

arbore (t = 1,2 ms)


Descărcarea coborâtoare negativă („upward leader”) sub formă de arbore

(t = 1,2 ms)


Când liderul descărcărilor coborâtoare negative se apropie de sol, câmpul

electric la nivelul solului depăşeşte valoarea prag de străpungere a aerului

şi se iniţiază una sau mai multe descărcări urcătoare pozitive (t = 20 ms)



Descărcarea urcătoare pozitive se cuplează cu liderul descendent, prin

aşa numitul proces de ataşare, în general la o distanţa de câţiva zeci de

metri de sol (t = 20,1 ms)

Procesul de ataşare

35/65

Liderul este conectat la potenţialul solului, astfel încât apare o descărcare

printr-un front de undă cu propagare ascendentă pe canalul de descărcare –

procesul se numeşte lovitura de întoarcere a trăsnetului, respectiv curentul

de întoarcere al trăsnetului (t = 20,1 ms)


Prima lovitura de

intoarcere

36/65

Lovitura de întoarcere a trăsnetului (return stroke), respectiv curentul



Prima lovitura de

intoarcere

37/65


Lovitura de întoarcere a trăsnetului (return stroke), respectiv curentul


Prima lovitura de

intoarcere

38/65

După aproximativ 100µs, potenţialul de propagare de la sol descarcă aproape

complet canalul de întoarcere, iar lovitura de întoarcere se încheie. (t = 20,1 ms)


Dacă mai există încărcare cu sarcină în nori, pot să apară mai multe lovituri de întoarcere

secundare, pe acelaşi canal ionizat, creat anterior de către prima lovitură de întoarcere.

39/65

Descendenta

negativa

Descendenta

pozitivaAscendenta

negativa

Ascendenta

pozitiva


https://www.youtube.com/watch?v=Cz_uYBx1G5s

https://www.youtube.com/watch?v=eNxDgd3D_bU

How to Survive a Lightning Strike

How does lightning work?



Descarcari negative nor-sol

- Cantitate de sarcini negative de cativa zeci de Coulombi

- Fenomenul luminos: 0,5s → componente de descarcare dintre care 3

sau 4 impulsuri de curent de foarte mare amplitudine: arcuri de retur

(1ms, timpul de pauza: cateva zeci de ms)

-La o distanţă de câţiva kilometri de zona de impact a unui trăsnet,

valorile de câmp electric sunt de ordinul kV/m, iar cele de câmp

magnetic de ordinul μT.

43/65

Puterea instantanee a unui trasnet: 106-107MW

Puterea medie este relativ redusa

Daca la capatul canalului ramane o anumita cantitate reziduala de

sarcini electrice → leader obscur (3·106 m/s, sarcina de aprox. 1Coulomb,

1kA) → arc de retur secundar (fenomenul se poate repeta pana la 15

arcuri de retur, ultimul arc de retur: 100A)



Campul electromagnetic al unui trasnet

PEM produse de o lovitura de trasnet sunt sesizabile pana la distante de peste 2

km de locul de impact al descarcarii norului de furtuna la sol;

Pentru distante cuprinse intre 1 si 2 km, campul electric vertical produs de trasnet

prezinta un varf initial al carui valoare scade cu distanta; la distante mai mari de 5

km, campurile electrice si magnetice au aceesi forma de unda si prezinta o inversare

de polaritate;

Primul arc de retur produce un camp electric vertical cu un front care creste pana

la jumatatea amplitudinii in timp de 2-8 μs in timpul carora intensitatea campului

electric atinge valoarea de cca. 20% din valoarea de varf

46/65


http://www.carpati.org/articol/fulgerul/525/

47/65


Efectele unei lovituri directe de trasnet asupra unei retele electrice

Arcul de retur se comporta ca un curent injectat in conductor in punctul de impact

→ curentul suplimentar se imparte in doua parti egale care se propaga sub forma

de unde de curent de-a lungul liniei, in ambele sensuri

→ fiecarei unde de curent i se asociaza o unda de tensiune caracterizata printr-o

amplitudine considerabila (de ordinul catorva MV)

48/65


Supratensiune de

valoare mare

Amorsare de arc

electric la primul

lant de izolatoare

intalnit

- Conturnare

- Strapungere

Canal ionizat conductor prin care trece atat arcul de retur cat si

curentul de sarcina cu care este incarcat conductorul inainte de

lovitura de trasnet

→ SCURTCIRCUIT MONOFAZAT

49/65


CONDUCTOARE

DE GARDA

(CONDUCTOARE

DE PROTECTIE)

Trebuie sa fie indeplinite urmatoarele conditii:

- Nivelul de izolatie este suficient de ridicat intre

conductorul de garda si conductoarele active

ale liniei;

- Rezistentele prizelor de pamantare ale

stalpilor sunt de valoare suficient de mica

(inferioare catorva ohmi)

50/65


Efectele unei lovituri indirecte de trasnet asupra unei retele electrice

Campul EM intens generat de arcul de retur induce supratensiuni care pot, in

anumite situatii, sa provoace amorsari de arc electric pe izolatoarele liniei

51/65


Calculul supratensiunilor induse necesita:

-Definirea distributiei spatio-temporale a curentului de trasnet in

lungul canalului de descarcare;

-Calculul campului EM rezultant;

-Evaluarea interactiunii intre campul EM si curentul liniei electrice

de transport

52/65

Se considera canalul de trasnet ca o antena verticala unidimensionala

de inaltime H plasata deasupra unui plan conductor

→ arcul de retur se propaga vertical incepand de la sol cu o viteza v; el

este parcurs de un curent i(z,t) a carui distributie spatio-temporala

determina campul EM intr-un punct oarecare din spatiu.

Calculul campului EM



Determinarea supratensiunilor induse de trasnet

Etapa 1: Pornind de la curentul arcului de retur de la baza canalului de

descarcare si adoptand un model care descrie distributia spatio-temporala

a curentului in lungul canalului, se calculeaza campul EM in lungul liniei.

Etapa 2: Campul EM fiind calculat se pot calcula supratensiunile induse in

linie tinand seama de geometria liniei si adoptand un model de cuplaj

electromagnetic:

1. Modelul Chowdhuri

2. Modelul Rusck

3. Modelul Agraval

56/65


Componentele Ei si Bi ale campului EM incident reprezinta suma dintre campul radiat de

trasnet si campul reflectat de de sol, ambele campuri fiind luate in considerare in absenta

conductorului metalic al liniei.

Campul electromagnetic total E si H se obtine ca suma intre Ei si Bi si respectiv

componentele Es si Bs ale campului difractat, care reprezinta reactia liniei la campul

incident.

57/65

Sisteme de localizare LLS (Lightning Location Systems): identificarea poziţiei

locului de impact cu solul, cât şi măsurarea precisă a valorilor şi formelor de

undă temporale ale curentului de bază;



1778

Protectie impotriva

fulgerelor la o cladire a

lui G. Ch. Lichtenberg

61/65


[http://www.paratrasnete.ro]

62/65


https://www.youtube.com/watch?v=yFCWzQxT3nE

What is a Lightning Arrester


PROTECTIA STRUCTURILOR IMPOTRIVA TRASNETULUI

Conform Normativ pentru proiectarea, executia si exploatarea

instalatiilor electrice aferente cladirilor, Indicativ I7_2011


Stabilirea necesităţii prevederii unei IPT pentru o construcţie şi

alegerea nivelului de protecţie împotriva trăsnetului


PROCEDURA PENTRU LUAREA UNEI DECIZII PRIVIND NECESITATEA UNEI PROTECTII

http://www.proenerg.ro/paratrasnet/evaluarea-riscului.html

http://www.atelierulelectric.ro/detalii_ie.htm


https://www.youtube.com/watch?v=bSuXJDvXUQ8

https://www.youtube.com/watch?v=Ya_Zz1J0aYA

Cum sa instalam un descarcator de tensiune


Bibliografie


1. F.D. Surianu, “Compatibilitate electromagnetica. Plicatii in ingineria sistemelor

electroenergetice”, Editura Orizonturi Universitare, Timisoare, 2005

2. Turri Roberto, Curs CEM, Facultatea de Inginerie electrica, Universitatea din

Padova

3. E. Simion, “ Interferenta electromagnetica”, Editura Casa Cartii de stiinta, Cluj-

Napoca, 1666

4. A. Ceclan, “Tehnici de sinteză a câmpurilor electrice şi magnetice în aplicaţii

specifice de proiectarea dispozitivelor solenoidale şi reconstructia curenţilor de

întoarcere ai trăsnetelor. Raport anual Contract nr. POSDRU/86/1.5/S/57083 ”,

UTCN, 2011

83/65

84/65COMPATIBILITATE ELECTROMAGNETICA – Curs 11

1. Tipuri de perturbatii electromagnetice ce apar in sistemele electroenergetice.

2. Supratensiuni atmosferice produse de loviturile de trasnet. Mecanismul formarii unei

furtuni. Diferenta dintre notiunile de fulger si trasnet.

3. Efectele unei lovituri directe de trasnet asupra unei retele electrice.

4. Efectele unei lovituri indirecte de trasnet asupra unei retele electrice.

5. Dati exemple de supratensiuni de comutatie care apar cel mai frecvente in sistemele

electroenergetice.

6. Ce sunt supratensiunile cu front foarte rapid si care sunt sursele de aparitie ale acestor

tipuri de perturbatii?

7. Ce se intelege prin supratensiuni temporare si ce efecte au asupra

sistemelor electroenergetice?

8. Ce aspecte trebuie luate in considerare in vederea coordonarii

izolatiei retelelor si echipamentelor electrice?

Documents

Curs 6 Aspecte ale CEM in electroenergeticausers.utcluj.ro/~denisad/Compatibilitate Electromagnetica... · 2019. 12. 11. · a acumularii progresive de sarcini in norii de furtuna,