DESCARCATOARE ELECTRICE

ECHIPAMENTE ELECTRICE II

1

DESCĂRCĂTOARE ELECTRICE

Descărcătoarele sunt aparate de protecţie împotriva supratensiunilor atmosferice

.Solicitările la care este supusă izolaţia se pot datora: tensiunii de durată de frecvenţă

industrială, supratensiunilor de comutaţie şi supratensiunilor atmosferice.\

a) Tensiunile de durată de frecvenţă industrială pot duce la îmbătrânirea izolaţiei.

Ca referinţă se consideră tensiunea maximă de serviciu.

Fig.1. Undă de impuls; Tf – durata convenţională a undei; Tsa – durata valorilor de

semiamplitudine

b) Supratensiunile de comutaţie sunt caracterizate prin unde tranzitorii de durată

diferită (de ordinul microsecundelor până la milisecunde). Valoarea acestor supratensiuni nu

este aceeaşi în diferite puncte ale reţelei; supratensiunile au un caracter aleatoriu.

Amplitudinea supratensiunii, exprimată în unităţi relative, depăşeşte rar valoarea de 2,2.

c) Supratensiunile atmosferice apar datorită loviturilor de trăznet pe linie; Aceste

supratensiuni sunt caracterizate prin unde de 1,2/50 s şi au alura din fig.1. şi fig. 2

2

Nivelul de ţinere al izolaţiei instalaţiilor electrice este stabilit în funcţie de nivelul de

protecţie, fixat de descărcătorul folosit. Acest nivel de ţinere este astăzi fixat la 2,7 2,9 ori

valoarea efectivă a tensiunii între faze. Aceasta se datoreşte în principal progresului realizat în

construcţia descărcătoarelor.

Raportul dintre nivelul de protecţie asigurat de descărcător şi tensiunea nominală a

descărcătorului a putut fi astfel adus la 2,4 2,5.

Astăzi se construiesc descărcătoare, care sunt în stare să suporte curenţi importanţi

timp de mai multe milisecunde, astfel că ele pot proteja instalaţiile atât contra supratensiunilor

atmosferice cât şi contra supratensiunilor interne.

Tendinţa actuală în asigurarea unui nivel cât mai scăzut al izolaţiei în instalaţiile de

220-750 kV se bazează pe utilizarea descărcătoarelor cu rezistenţă variabilă DRV, care

permit limitarea atât a supratensiunilor atmosferice cât şi a celor interne.

Rolul descărcătoarelor este de a stabili, în cazul unei supratensiuni, o legătură

între o linie electrică şi pământ, având o impedanţă suficient de mică pentru a reduce

amplitudinea supratensiunii la o valoare inferioară tensiunii limită pe care o poate

suporta instalaţia electrică, aflată în aval de descărcător faţă de originea supratensiunii.

Descărcătoarele se montează între conductoarele fazelor de protejat şi pământ.

În condiţii normale de funcţionare, descărcătoarele nu trebuie să permită trecerea

curentului. Pentru aceasta, descărcătorul este prevăzut cu un spaţiu de descărcare (eclator),

care separă conductorul aflat sub tensiune de pământ.

Spaţiul de descărcare trebuie astfel ales, încât să fie străpuns ori de câte ori

tensiunea pe porţiunea protejată întrece nivelul limită admis. Străpungerea trebuie să aibă

loc cu o întârziere minimă. Imediat după străpungere, când supratensiunea scade până la o

valoare nepericuloasă pentru izolaţia instalaţiei, descărcătorul trebuie să întrerupă curentul

care-l parcurge într-un timp mai mic decât timpul de lucru al protecţiei sau decât durata de

topire a siguranţelor instalaţiei electrice de protejat.


3

Caracteristicile descărcătoarelor sunt:

a) Tensiunea nominală a descărcătorului;

b) Tensiunea de amorsare Ua la unda de impuls, care este tensiunea la care se

produce străpungerea spaţiului de descărcare. Valoarea tensiunii de amorsare

este diferită pentru supratensiuni de comutaţie şi pentru supratensiuni atmosferice

(unda de impuls).

Fig.2. Caracteristica tensiunii de amorsare în funcţie de timpul de amorsare

Amplitudinea tensiunii de amorsare a spaţiului de descărcare la undele de impuls

variază cu panta frontului undei. În figura 2 este reprezentată caracteristica de amorsare sau

caracteristica tensiune-timp a spaţiului de descărcare, care arată variaţia tensiunii de

amorsare în funcţie de timp, pentru unde de impuls de diferite pante.

Se poate defini pe această curbă, o tensiune critică de amorsare, care se obţine

aplicând descărcătorului o undă normalizată 1,2/50 s a cărei amplitudine creşte progresiv,

4

până se obţine o amorsare de 50% din cazuri. Tensiunea critică de amorsare este valoarea

maximă a tensiunii aplicate, deşi amorsarea se produce pe spatele undei.

Cu scopul de a asigura coordonarea izolaţiei şi protecţia contra supratensiunilor,

raportul între tensiunea de ţinere la impuls a aparatajului protejat şi nivelul de protecţie la

impuls care fixează coeficientul de siguranţă al protecţiei trebuie să fie de ordinul 1,5 pentru

reţelele de medie şi de joasă tensiune şi 1,2 pentru reţelele de înaltă tensiune

c) Tensiunea de amorsare la frecvenţă industrială trebuie să aibă o valoare, care să

permită descărcătorului să acţioneze la supratensiuni interne. Nivelul de protecţie trebuie să

fie mai ridicat pentru supratensiunile atmosferice decât pentru supratensiunile interne,

deoarece nivelul de ţinere al aparatajului este mai ridicat pentru aceste supratensiuni care au o

durată mai scurtă.

d) Curentul de însoţire Ist este valoarea curentului care trece prin descărcător, când

tensiunea a scăzut până la tensiunea de serviciu a acestuia. Descărcătorul se construieşte

astfel, încât la curentul de însoţire arcul electric să fie stins. Valoarea curentului de însoţire

poate să fie cuprinsă în limite foarte largi, de la câţiva amperi până a mii de amperi, în funcţie

de tipul descărcătorului, locul său de instalare şi de întreaga schemă de protecţie împotriva

supratensiunilor atmosferice.

e) Capacitatea – curentul de scurgere este capacitatea descărcătorului de a permite

scurgerea într-un interval scurt de timp, a unei sarcini electrice mari, corespunzătoare

curentului de impuls de o anumită formă.

f) Tensiunea reziduală Urz a descărcătorului este valoarea maximă a tensiunii care

există la bornele descărcătorului după amorsare.


5

Fig.3. Caracteristica tensiunii reziduale în funcţie de curent

În figura 3. este reprezentată caracteristica tensiunii reziduale în funcţie de curent

pentru un descărcător cu rezistenţă variabilă. Această curbă formează o buclă, ca urmare a

unui fenomen de histerezis termic.

Tensiunea reziduală nominală este definită pentru o undă de impuls de curent 10/20

s, a cărei valoare maximă corespunde capacităţii de scurgere nominale a descărcătorului.

Pentru instalaţii de înaltă tensiune se folosesc două tipuri de descărcătoare:

descărcătoare cu rezistenţă variabilă DRV (cu caracteristică neliniară) şi descărcătoare

tubulare.

2. Descărcătoare cu rezistenţă variabilă

Descărcătorul cu rezistenţă variabilă trebuie să îndeplinească următoarele condiţii:

a) tensiunea de amorsare la undele de impuls să fie întotdeauna inferioară tensiunii

de ţinere la undele de impuls a aparatelor pe care trebuie să le protejeze

6

b) capacitatea de scurgere trebuie să fie mai mare şi tensiunea reziduală mai mică.

Aceasta presupune ca descărcătorul să aibă o rezistenţă foarte mică, când

supratensiunea are amplitudine mare

c) după dispariţia supratensiunii, descărcătorul trebuie să înceteze să funcţioneze

după prima trecere prin zero a curentului de frecvenţă industrială.

Condiţiile contradictorii de la punctele b şi c sunt satisfăcute prin întrebuinţarea

rezistenţelor neliniare.

Construcţia unui descărcător cu rezistenţă variabilă este prezentată în figurile 4. şi 5.

Partea activă a descărcătorului este formată din eclatoare şi rezistenţe.

a) eclatoarele lasă să treacă curentul imediat ce supratensiunea atinge valoarea

de amorsare Us şi întrerup curentul de însoţire furnizat de reţea după procesul de

descărcare

b) rezistenţa neliniară R contribuie la reducerea curentului de însoţire, astfel ca

el să fie întrerupt în mod sigur, neopunând în acelaşi timp decât o rezistenţă slabă la

trecerea curentului de descărcare, întrucât valoarea ei descreşte cu creşterea tensiunii.


7

Fig.4. Principiul de construcţie al descărcătorului cu rezistenţă variabilă

8

Fig .5. Secţiune printr-un descărcător cu rezistenţă variabilă

Descărcătorul are deci caracteristica unei supape. Atunci când o undă de

supratensiune atmosferică sau o supratensiune internă depăşeşte tensiunea de amorsare,

se produce o străpungere a intervalului de amorsare al eclatoarelor, iar unda se

descarcă prin elementul conductor.

Caracteristica tensiune-curent a rezistenţei variabile pentru temperatura

constantă în cazul supratensiunilor atmosferice poate fi exprimată prin relaţia neliniară:

Ciu

în care:


9

u este valoarea instantanee a tensiunii aplicată rezistenţei [V]

C – constantă a materialului cuprinsă între limitele 650...750 [ A1-

]

i – valoarea instantanee a curentului ce trece prin rezistenţă [A]

alfa – exponent, denumit coeficient de trecere sau coeficient de neliniaritate, cuprins

între 0,16 şi 0,32.

La baza construcţiei rezistenţelor neliniare stă carborundul – carbura de siliciu

Neliniaritatea rezistenţei carborundului se explică prin existenţa pe suprafaţa fiecărui cristal

de carborund a unui strat subţire de oxid de siliciu, care are proprietatea de a-şi schimba

rezistenţa electrică în funcţie de gradientul tensiunii. Pe cristalul elementar al carborundului,

pentru tensiuni de la câteva zecimi de volt până la câţiva volţi, intensitatea câmpului electric

pe stratul subţire are valori de ordinul 103...10

4 V/cm. Un astfel de gradient al tensiunii este

suficient pentru a mări conductibilitatea stratului. Această creştere are loc ca o consecinţă a

măririi mobilităţii şi concentraţiei electronilor din stratul de oxid. Tensiunea aplicată pe cristal

se repartizează între stratul de oxid şi carborundul propriu-zis. Valoarea tensiunii care revine

stratului de oxid depinde de raportul dintre rezistenţa stratului de oxid şi cea a carborundului

propriu-zis.

10

Fig.6. Distribuţia curentului de trăznet în cazul liniilor electrice de foarte înaltă tensiune

În timpul funcţionării, prin descărcător trec curenţii electrici:

1. Curentul datorat undei de supratensiune atmosferică, care se caracterizează

printr-o amplitudine ridicată şi durată redusă. Acest curent depinde în primul rând de

amplasarea descărcătorului faţă de aparatajul protejat şi de constantele reţelei. Curentul cel

mai mare apare în cazul când lovitura de trăznet se produce lângă descrescător, datele

statistice arătând totuşi că el depăşeşte rareori 100 kA.

3. Curentul de însoţire este un curent de valoare relativ redusă, care circulă prin

descărcător, după disiparea prin aceasta a energiei undei de supratensiune. Descărcătorul

constituie în acel moment o cale de curent şi trebuie să întrerupă rapid curentul care se scurge

prin el datorită tensiunii nominale a reţelei şi care este limitat de caracteristica neliniară a

blocului de rezistenţe.


11

Fig. 9. Caracteristicile tensiune-curent obţinute pe acelaşi bloc de rezistenţe

Impedanţa limitatoare este de natura unei rezistenţe pure, astfel încât curentul de

însoţire este în fază cu tensiunea. În consecinţă, tensiunea de revenire nu conţine decât

componenta de frecvenţă industrială. Mărimea curentului de însoţire depinde de

caracteristicile blocului de rezistenţe, de tipul descărcătorului şi variază cu viteza de creştere a

rigidităţii dielectrice a spaţiului dintre electrozi, cu amplitudinea şi durata curentului de

descărcare.

În figura 9. sunt reprezentate pentru exemplificare două curbe tensiune-curent tipice,

obţinute pe acelaşi bloc de rezistenţe. Caracteristica nu se schimbă mult pe porţiunea

crescătoare a curbei, dar pe măsură ce tensiunea revine la normal, curba nu mai urmează

acelaşi traseu, ci revine la zero pe un traseu diferit, formând o buclă caracteristică. Deoarece

curentul de însoţire este determinat de impedanţa caracterizând porţiunea descrescătoare a

buclei, curentul poate ajunge la valoarea minimă de 200 A într-un caz de supratensiune şi la

valoarea maximă de 600 A în celălalt caz. În realitate, curentul nu depăşeşte 200-300 A,

deoarece curentul de trăznet ce trece prin descărcătoarele unei staţii depăşeşte rareori 20000 A

chiar la tensiuni foarte înalte.

În multe cazuri, după ce descrescătorul a amorsat nu există deloc curent de însoţire.

Acest lucru se datoreşte caracteristicii neliniare a blocului de rezistenţe şi depinde de

12

momentul apariţiei undei faţă de unda de tensiune de frecvenţă industrială. După cum se vede

în figura 6.10. forma undei de curent obţinută aplicând o tensiune sinusoidală a unui bloc de

rezistenţe de descărcător, nu este sinusoidală, ci are o zonă alungită în care curentul este nul.

Dacă unda de supratensiune are în această porţiune în care curentul este zero, nu va

trece nici un curent de însoţire.

Descărcătoarele moderne folosesc două tipuri de rezistenţe: una de tip liniar şi

alta de tip neliniar.

Caracteristicile tensiune-curent ale acestor rezistenţe se prezintă în figura 13. Din

curbe se vede că, la parametrii nominali, valorile caracteristice ale curentului de

conductibilitate sunt de 0,5 şi 2 mA, depinzând de tipul de rezistenţă folosit.

Fig.6.13. Curbele caracteristice tensiune-curent pentru rezistenţele descărcătorului


13

Descărcătoarele pentru tensiuni foarte înalte, care trebuie să facă faţă atât

supratensiunilor atmosferice cât şi celor de comutaţie, se realizează cu suflaj magnetic

pentru stingerea arcului electric.

În fig. 14. sunt prezentate procesele ce au loc într-un descărcător cu suflaj

magnetic, precum şi evoluţia mărimilor electrice de la amorsare până la întreruperea

curentului de însoţire. Curenţii şi tensiunile sunt date la scările diferite.

Figurile 14, b,c,d şi e corespund la patru momente ale procesului separate de intervale

de circa 3,5 ms. Liniile verticale stabilesc relaţiile între aceste figuri şi oscilogramă. Figura

6.14, b, arată elementele descărcătorului.

Eclatoarele sunt formate din doi electrozi introduşi în camerele de stingere formate din

discuri plate, distanţate unele de celelalte, dar formând în realitate un pachet compact,

având la fiecare extremitate câte o bobină de suflaj magnetic.

- Figura 6.14., b arată situaţia normală a descărcătorului în serviciu. Curentul is trece

prin rezistenţa S, montată în paralel cu eclatoarele, al cărei scop este de a repartiza

tensiunea de frecvenţă industrială în mod uniform în toate ecltoarele descărcătorului.

- Figura 6.14. c prezintă procesul de descărcare. Tensiunea de impuls atinge valoare

de amorsare şi curentul de descărcare trece prin eclatoare, şuntând bobinele de suflaj, a

căror inductivitate rămâne fără efect asupra procesului de descărcare. Spaţiile între

electrozii eclatoarelor, intens ionizate de curentul de impuls, nu-şi regăsesc rigiditatea

dielectrică iniţială la sfârşitul descărcării. În cele mai multe cazuri, descărcarea este

urmată de un curent de însoţire a cărui valoare este determinată de rezistenţa neliniară

R şi de tensiunea de serviciu.

- În cele mai multe cazuri, descărcarea este urmată de un curent de însoţire a cărui

valoare este determinată de rezistenţa neliniară R şi de tensiunea de serviciu.

Figura 6.14., d se referă la această fază. Acum începe să se manifeste efectul bobinei

de suflaj. Pe măsura micşorării curentului de descărcare, rezistenţa spaţiului de arc

14

dintre eclatoare creşte şi curentul de însoţire este forţat să treacă prin bobine de suflaj,

care produc un câmp magnetic puternic, care traversează toate pachetele

descărcătorului. În fiecare eclator, arcele sunt alungite şi împinse spre marginile

camerelor. Rezistenţa arcului astfel mărită contribuie la limitarea curentului de

însoţire, care se întrerupe deja înainte de trecerea lui prin zero. Constanta tensiunii de

amorsare este asigurată prin faptul că arcul este deplasat şi astfel se evită arderea

electrozilor în punctele de amorsare ale arcului.

Rezistenţa neliniară R este astfel dimensionată încât la trecerea curentului de

descărcare căderea de tensiune pe ea (tensiunea reziduală) nu depăşeşte tensiunea

maximă de amorsare la impuls a eclatoarelor. Astfel se evită apariţia unor supratensiuni

nedorite în cursul procesului de descărcare.


15

16

Fig.14. Funcţionarea unui element al descărcătorului cu suflaj magnetic şi rezistenţe

neliniare

Figura 15. arată că rezistenţele R au o caracteristică tensiune-curent cu o pantă redusă.

Valoarea ei rămâne mică atât pentru curenţi mari de descărcare cât şi la curenţi mijlocii.

Astfel, energia disipată în aceste rezistenţe în timpul trecerii curentului de impuls de

amplitudine mijlocie, care rezultă de la descărcarea liniilor lungi sau din reţele întinse cu

cabluri, rămâne moderată. Disiparea energiei în rezistenţe rămâne de asemenea mică când

durata de curent este de ordinul milisecundelor, caz frecvent în astfel procese de descărcare.

3. Descărcătoare tubulare

Descărcătoarele tubulare sunt aparate simple din punct de vedere constructiv,

formate dintr-un tub izolant din fibră, sticlă organică, viniplast sau alte materiale care au

proprietatea de a degaja gaze sub acţiunea arcului electric şi din doi electrozi – fig.16. În

interiorul tubului se găseşte spaţiul de descărcare S1. Descărcătorul tubular se montează în aşa

fel, încât se formează şi un spaţiu exterior de descărcare, care evită ca tubul să fie în

permanenţă sub tensiune. Prin aceasta se evită curenţii de scurgere pe suprafaţa

descărcătorului, care cu timpul pot să provoace conturarea tubului pe suprafaţa exterioară.

Spaţiul de descărcare interior S1 este determinat de condiţiile de stingere a arcului.

Caracteristicile de funcţionare ale descărcătorului se reglează prin alegerea valorii distanţei

exterioare 92 (tab.1.). degajarea gazelor în descărcătoarele tubulare măreşte presiunea în tub.

Gazele se îndreaptă către orificiul de evacuare. Mişcarea gazelor are loc cu viteză. Acest

proces se petrece într-un timp foarte scurt de numai 0,01-0,02 secunde şi se termină prin

stingerea arcului. Fenomenele sunt asemănătoare cu explozia ce are loc, într-o armă de foc.

Gazele produc o presiune atât de mare în interiorul tubului, încât pot să distrugi în unele

cazuri chiar tubul, dacă acesta nu este destul de rezistent.

În urma funcţionării descărcătorului, o parte din materialul tubului se volatizează.

După câteva descărcări, diametrul interior al tubului se măreşte şi caracteristicile lui se

schimbă. La construcţia descărcătorului trebuie să se ţină seama de consumul materialului


17

tubului pentru formarea de gaze pentru ca tubul să satisfacă un număr cât mai mare de

funcţionări.

În figura 17. se face comparaţia între modul de funcţionare al descărcătorului tubular

şi cel al descărcătorului cu rezistenţă variabilă.

Curba a ilustrează limitarea supratensiunii la valoarea tensiunii reziduale, la

descărcătoarele cu rezistenţă variabilă. Pentru aceeaşi undă de supratensiune descărcătorul

tubular amorsează mai târziu şi taie unda (curba).

Fig.17. Principiul de construcţie al descărcătorului tabular

18

Fig.18. Comparaţie între descărcătorul tubular – b şi cel cu rezistenţă variabilă – a

La alegerea descărcătoarelor tubulare este necesar să se respecte următoarele condiţii:

a) Caracteristicile tensiune – timp ale descărcătoarelor tubulare, împreună cu spaţiile

de descărcare exterioare, trebuie să corespundă cu caracteristicile izolaţiei instalaţiilor de

protejat şi cu schema de protecţie.

b) Tensiunea de amorsare a descărcătorului tubular, împreună cu spaţiul exterior,

trebuie să asigure o posibilitate minimă de funcţionare a descărcătorului la supratensiuni de

comutaţie.

c) Limita superioară a curentului de însoţire, ce trebuie să fie întrerupt de către

descărcător, trebuie să nu fie mai mică decât valoarea maximă a curentului de scurtcircuit în

punctul dat al reţelei (ţinând seama şi de componenta aperiodică a curentului de scurtcircuit),

iar limita inferioară trebuie să nu fie mai mare decât valoarea minimă posibilă a curentului de

scurtcircuit în punctul dat al reţelei.

În tabelul 1. sunt date valorile minime ale spaţiilor exterioare. La construcţia

descărcătoarelor se tinde să se obţină în limita posibilităţilor, o caracteristică tensiune – timp


19

plată cu ordonatele mai mici decât ale caracteristicii izolaţiei protejate. Astfel, descărcătorul

intră în funcţiune la supratensiuni inferioare celor care prezintă pericol pentru izolaţia

instalaţiilor protejate. Tensiunea de străpungere a descărcătorului împreună cu spaţiul exterior

nu trebuie să fie prea mică, pentru a evita funcţionarea sa la supratensiuni nepericuloase.

Tabel 6.1.

Valorile nominale ale spaţiilor exterioare de descărcare ale descărcătoarelor tubulare

Pe de altă parte, tensiunea de străpungere a descărcătorului nu trebuie să fie aşa de

mare, încât acţiunea lui de protecţie să înceapă la supratensiuni periculoase pentru izolaţia

instalaţiei. Deoarece la funcţionarea descărcătorului curenţii de însoţire sunt de ordinul a mii

de amperi, descărcătorul trebuie să suporte aceşti curenţi până la stingerea arcului electric,

fără a suferi avarii care ar putea împiedica funcţionarea sa ulterioară.

Descărcătoarele tubulare funcţionează pe principiul stingerii arcului prin gaze generate

din materialul tubului şi pot stinge arcul electric pentru curenţi cuprinşi între anumite limite.

Este bine ca aceste limite să fie cât mai largi.

Din cele de mai sus rezultă condiţiile fundamentale pe care trebuie să le îndeplinească

descărcătoarele tubulare şi de care trebuie să se ţină seama la construcţia lor.

20

a) Diferenţa între tensiunea de străpungere de impuls şi cea de străpungere de

frecvenţă industrială trebuie să fie cât mai mică, adică coeficientul de impuls al

descărcătorului trebuie să fie cât mai apropiat de unitate.

b) tensiunea de străpungere trebuie să depindă cât mai puţin de timpul aplicării

tensiunii, adică caracteristica tensiune – timp trebuie să fie cât mai plată.

c) Descărcătoarele trebuie să aibă pe cât posibil limitele curentului de descărcare cât

mai largi.

Documents

DESCARCATOARE ELECTRICE