81

Click here to load reader

Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

1

Cuprins - CAPITOLUL 7 7.1. Aspecte generale. Principii de bază 1

7.1.1. Moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice 2 7.1.2. Nivelul supratensiunilor din reţea 9 7.1.3. Nivelul curenţilor de defect 22 7.1.4. Riscul de electrocutare 28 7.1.5. Alte criterii în adoptarea modului de tratare a neutului 38

7.2. Tratarea neutrului reţelelor de medie tensiune 46 7.2.1. Reţele cu neutrul izolat 46

7.2.2. Reţele compensate 50 7.2.3. Reţele având neutrul tratat prin impedanţă limitatoare 58 7.2.4. Tratarea mixtă a neutrului 64 7.2.5. Reţele cu neutrul legat la pământ 66

7.3. Tratarea neutrului reţelelor de joasă tensiune 67 Bibliografie 78

Page 2: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

CAPITOLUL 7

TRATAREA NEUTRULUI REŢELELOR ELECTRICE DE DISTRIBUŢIE

7.1. Aspecte generale. Principii de bază

Punctul neutru este un nod comun al înfăşurărilor polifazate ale u-nei surse de alimentare cu energie electrică, fie ea transformator sau generator, şi ale cărui diferenţe de potenţial faţă de oricare dintre bornele exterioare sunt identice, în valoare absolută, în regimul normal de func-ţionare al reţelei /1/. În consecinţă, cea mai frecventă utilizare a acestui termen este în legătură cu schemele de conexiuni ale echipamentelor care prezintă înfăşurări trifazate. Referitor la înfăşurările fazelor acestor echi-pamente, accesibilitatea neutrului implică existenţa unei conexiuni în stea (Y) sau în zig-zag (Z). Conexiunea în triunghi (Δ) nu permite existenţa unui punct neutru natural /2, 3/.

Noţiunea de punct de nul sau, mai simplu, nulul reţelei nu trebuie confundată cu aceea de punct neutru, deoarece numai punctul neutru le-gat la pământ, prin intermediul unei rezistenţe de valoare redusă, poate purta şi denumirea de punct de nul /1, 4/.

În concordanţă cu punctele de neutru şi de nul, există conductoare ale reţelei, corespunzător denumite: Conductor de neutru (simbol N) – conductor legat la punctul neutru al reţelei şi destinat transportului energiei electrice. Conductorul de nul de lucru are aceeaşi destinaţie, fiind, însă, conectat la un punct de nul din reţea. Conductor de nul de protecţie (simbol PE) – conductor prin care se leagă carcasele conductoare ale echipamentelor şi consumatorilor din

Page 3: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

2

reţea la un punct de nul al acesteia. Conductor de nul folosit în comun (simbol PEN) - conductor care în-deplineşte, în acelaşi timp, funcţiile de conductor de nul de protecţie şi de conductor de nul de lucru.

Într-o reţea trifazată perfect izolată faţă de pământ, potenţialul punctului neutru (reprezentat într-o diagramă fazorială prin punctul cen-tral al stelei tensiunilor sau centrul de greutate al sistemului de tensiuni) nu este fix, el putând lua orice valoare, teoretic cuprinsă între zero şi ten-siunea de fază a reţelei. Astfel, în regimul normal de funcţionare al unei surse trifazate, perfect echilibrate, care alimentează un circuit simetric cuprinzând linii electrice şi consumatori simetrici, potenţialul punctului neutru este egal cu zero. În aceste condiţii, conductoarele neutre, în cazul în care acestea există, nu sunt parcurse de curent, iar punctele neutre ale transformatoarelor care au conexiune în stea vor avea un potenţial nul, în raport cu pământul. Acest fapt explică tendinţa denumirii incorecte a ne-utrului drept nul al reţelei, diferenţa dintre cele două noţiuni fiind pre-zentată anterior.

În condiţiile ideale ale unei reţele perfect simetrice, din punctul de vedere al nivelului tensiunilor şi al intensităţilor curenţilor rezultă că este indiferent dacă neutrul transformatoarelor este izolat sau legat la pământ, în regimul normal de funcţionare al reţelei /5/. Regimul ideal, presupus anterior, în mod evident este unul ipotetic, în realitate potenţialul punc-tului neutru fiind diferit de zero, fapt ce determină circulaţia unor curenţi pe ramurile incidente acestui nod, chiar şi în regimul normal de funcţio-nare al reţelelor trifazate. Mărimea diferenţei de potenţial dintre punctul neutru şi pământ, precum şi a intensităţii curenţilor care circulă prin con-ductoarele de nul sunt influenţate atât de sursă, cât şi de reţea, prin deze-chilibru respectiv nesimetrie, dar şi de către parametrii electrici ai ele-mentului de circuit aflat între punctul neutru şi pământ, adică de modul de tratare a neutrului reţelei.

7.1.1. Moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice

Termenul mod de tratare a neutrului reţelelor electrice îl înlocu-ieşte, în majoritatea situaţiilor, pe acela de mod de funcţionare a neutru-

Page 4: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

3

lui reţelei, chiar dacă, în cazul reţelelor având neutrul izolat, tratarea neu-trului nu este asociată, practic, cu nici o măsură tehnică, relativ la punctul neutru /1/.

Soluţiile posibile de tratare a neutrului reţelelor electrice se deose-besc printr-o serie de elemente, cele mai importante putând fi grupate în următoarele categorii /1, 6/: costurile investiţiilor; condiţiile tehnice de funcţionare a reţelelor; continuitatea în alimentarea consumatorilor; electrosecuritatea; compatibilitatea electromagnetică; influenţa asupra mediului ambiant.

În mod concret, aceste categorii şi factorii aferenţi fiecărei categorii în parte sunt în strânsă interdependenţă, decizia de adoptare a unui anu-mit mod de tratare a neutrului rezultând, ca un optim, din analiza influen-ţei pe care o manifestă următorii parametri: nivelul supratensiunilor de frecvenţă industrială ce pot să apară într-o reţea dată, în contextul coordonării izolaţiei acesteia şi al asigurării u-nei calităţi adecvate a energiei furnizate consumatorilor; nivelul supratensiunilor de trăsnet ce se propagă, din reţelele de înaltă şi medie tensiune, către consumatori; nivelul supracurenţilor determinaţi de producerea unor nesimetrii, în strânsă legătură cu dimensionarea corectă a circuitelor primare, a apa-ratajului şi a sistemelor de protecţie, cu riscul de producere a unor in-cendii şi explozii, precum şi cu riscul de producere a accidentelor prin electrocutare; asigurarea continuităţii în alimentarea consumatorilor; posibilitatea detectării şi deconectării rapide şi selective a tronsoanelor de reţea în care s-a produs un defect; nivelul tensiunilor accidentale de atingere şi de pas, respectiv intensi-tatea curentului care se închide prin om, în cazul atingerilor directe şi indirecte, în strânsă legătură cu măsurile tehnice şi organizatorice de protecţie împotriva electrocutărilor; siguranţa în funcţionare, disponibilitatea, fiabilitatea şi mentenabilita-tea, criterii care în cazul reţelelor de joasă tensiune depind, pe lângă o

Page 5: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

4

serie de parametri generali, şi de o serie de parametri specifici, precum tipul clădirilor în care se află instalaţiile şi caracteristicile consumato-rilor racordaţi la acestea; nivelul perturbaţiilor propagate pe conductoarele reţelei şi aria de pro-pagare a acestora; perturbaţiile electromagnetice induse în liniile de comunicaţii şi de transfer de date, învecinate reţelei de distribuţie a energiei electrice; cheltuielile de investiţie şi de exploatare; impactul ecologic direct, dar şi de natură estetică, al instalaţiilor reţe-lei – staţii, posturi de transformare şi linii electrice.

Din cele prezentate anterior, se poate constata că problemele legate de modul de tratare a neutrului fac referire la oricare dintre regimurile de funcţionare ale reţelelor electrice, fiind necesare precauţii şi analize mai aprofundate mai ales în regimurile nesimetrice de defect, de producerea cărora sunt responsabile mai ales reţelele şi consumatorii, aportul surse-lor, în acest sens, fiind, practic, neglijabil. Cele mai frecvente regimuri de acest fel sunt defectele nesimetrice transversale, la pământ.

Mărimea impedanţei dintre punctul neutru şi pământ are o influenţă decisivă asupra nivelului curenţilor şi tensiunilor, pe durata defectului, cu toate consecinţele care derivă din aceasta. În funcţie de modul de reali-zare şi de mărimea acestei impedanţe, se disting diverse moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice, acestea fiind prezentate în tabelul 7.1.

Aşa cum s-a arătat anterior, în cazul neutrului izolat nu se adoptă măsuri tehnice speciale, între punctul neutru şi pământ neexistând un element fizic de circuit, ci doar o izolaţie capabilă să suporte creşterile de potenţial apărute, fie în regimul normal de funcţionare, fie în regim de defect. Dacă înfăşurarea trifazată are conexiunea în triunghi şi nu există alt echipament cu conexiune în stea, atunci neutrul izolat este şi inacce-sibil. În toate celelalte cazuri prezentate în tabelul 7.1, neutrul poate fi considerat ca fiind legat la pământ, adoptarea unor denumiri specifice fiind, totuşi, necesară, datorită multiplelor moduri de realizare a legării la pământ, precum şi a implicaţiilor corespunzătoare /3/.

Cel mai simplu caz este acela al neutrului legat direct (metalic) la pământ, atunci când mărimea impedanţei conectate în punctul neutru, ZN, este egală cu aceea a instalaţiei de legare la pământ de exploatare.

Page 6: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

5

Moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice Tabelul 7.1

Modul de tratare a neutrului reţelei

Mărimea impedanţei ZN

/3/

Curentul de simplă punere la pământ /1/

Schema de principiu

Izolat (eventual inaccesibil) ∞ sub

5 ÷ 10 (30) A

Legat direct la pământ 0 1,5* ÷ 3* kA

Legat la pământ prin impedanţă redusă

1 ÷ 3 Ω/V 300 ÷ 600 A

sau 500 ÷ 1500*A

Compensat (bobină de stingere) 5 ÷ 100 Ω/V

în trepte: 1 ÷ 10 A; continuu:

0 A.

Mixt (bobină de stingere + impedanţă redusă)

1 ÷ 100 Ω/V iniţial:

0 ÷ 5 A, apoi 300 A.

Notă: *) - în aceste cazuri neutrul poate fi considerat efectiv legat la pământ.

Legarea neutrului la pământ printr-o impedanţă redusă se poate re-aliza atât prin intermediul unui rezistor, cât şi prin intermediul unei bo-bine. Mărimea impedanţei elementului de circuit conectat între punctul neutru al reţelei şi pământ este fixă, indiferent de dimensiunile reţelei, aceasta depinzând numai de tensiunea nominală a reţelei şi de tipul cons-tructiv al liniilor acesteia (linii aeriene sau linii subterane).

Neutrul compensat sau tratat cu bobină de stingere (numită şi bobină Petersen) se realizează prin intercalarea între punctul neutru al reţelei şi pământ a unei bobine cu miez de fier, având inductanţa variabi-lă, aceasta fiind dimensionată atât în funcţie de tensiunea nominală a re-

R

S T

N R

S T

R

S T

N

R

S T

ZN

R

S T

LN

R

S T

LN

RN

Page 7: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

6

ţelei, cât şi în funcţie de extinderea acesteia. Soluţia mixtă reuneşte două moduri de tratare pentru acelaşi punct

neutru, folosite într-o anumită secvenţă de manevre, în scopul cumulării avantajelor celor două soluţii distincte. Cea mai frecventă utilizare o are asocierea bobinei de stingere cu o impedanţă de valoare redusă.

Fiecare dintre aceste moduri de tratare a neutrului are domenii pre-ferenţiale de utilizare, fără a fi excluse şi unele suprapuneri. Chiar dacă adoptarea unui anumit mod de tratare a neutrului unei reţele are şi o anumită doză de subiectivism, trebuie subliniat, totuşi, faptul că alegerea soluţiei optime este rezultatul considerării tuturor influenţelor pe care le manifestă modul de tratare a neutrului asupra reţelei, mai ales pe durata de existenţă unui defect transversal monofazat. Factorii care determină o asemenea abordare a problematicii adoptării unui anumit mod de tratarea a neutrului reţelei sunt /3/: defectele transversale monofazate se produc cu o frecvenţă mult mai mare, în raport cu celelalte tipuri de defecte; evoluţia defectelor transversale monofazate este decisiv influenţată de mărimea impedanţei de tratare a neutrului reţelei, ZN.

Observaţiile anterioare, referitoare la adoptarea unui anumit mod de tratare a neutrului reţelelor electrice, şi faptul că importanţa unui anu-mit criteriu este considerată cu ponderi diferite, în diferite sisteme elec-troeneregetice, sunt subliniate prin datele prezentate în tabelele 7.2 şi 7.3, referitoare la modul de tratare a neutrului adoptat în reţelele de medie tensiune şi respectiv de joasă tensiune, în diferite ţări /6, 7, 8/.

Modul de tratare a neutrului reţelelor publice de medie tensiune Tabelul 7.2

Ţara/ Tensiunea nominală

Tipul reţelei

Sistemul de tratare a neutrului

Modul de co-nectare a carca-selor echipam.

Observaţii

1 2 3 4 5

Germania 10 şi 20 kV

aeriene şi subterane

Izolat sau compensat Id < 60 A

Conectate la pământ dacă

Id x RT < 250 V

R0 < 2 Ω sau

R0 < 5 Ω

Page 8: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

7

1 2 3 4 5

Australia 11 şi 12 kV

aeriene şi subterane

Direct legat la pământ

Id = câţiva kA

Izolate, mai pu-ţin pentru cazul

RT < 1 Ω R0 < 10 Ω

Belgia 6,3 şi 11 kV

aeriene şi subterane

Tratat cu impe-danţă de limitare

Id < 500 A Izolate R0 < 5 Ω

aeriene şi subterane

Tratat cu impe-danţă de limitare

Izolate, mai pu-ţin pentru cazul

aeriene Id ≤ 300 A RT < 3 Ω R0 < 30 Ω Franţa 20 kV

subterane Id ≤ 1000 A RT < 1 Ω R0 < 1 Ω

Anglia 20 kV

aeriene şi subterane

Legat direct la pământ sau tra-tat cu impedanţă

de limitare Id < 1000 A

Izolate, mai pu-ţin pentru cazul

în care RT < 1 Ω

R0 < 25 Ω

Italia 10 şi 20 kV

aeriene şi subterane

Izolat Id ≤ 60 A Izolate R0 < 20 Ω

Irlanda 10 şi 38 kV

aeriene şi subterane

Izolat la 10 kV şi compensat la

38 kV Id < 10 A

Izolate, mai pu-ţin pentru cazul

în care RT < 10 Ω

Sunt specificaţii referitoare la re-alizare prizelor de pământ R0

Japonia 6,6 kV

aeriene şi subterane

Izolat Id < 20 A

Legate la pământ

RT < 65 Ω

aeriene şi subterane

Tratat cu impe-danţă de limitare

aeriene Id ≤ 300 A Portugalia 10 ÷ 30 kV

subterane Id ≤ 1000 A

Izolate, mai pu-ţin pentru cazul

RT < 1 Ω R0 < 20 Ω

SUA 4 ÷ 25 kV

aeriene şi subterane

Direct legat la pământ sau tra-tat cu impedanţă

redusă Id = câţiva kA

Conectate la pământ

La instalaţia de legare la pământ a postului MV/JT este conectat şi

neutrul reţelei de joasă tensiune

Notaţii: Id – intensitatea curentului de defect monofazat la pământ; RT – rezistenţa in-stalaţiei de legare la pământ la care se conectează carcasele echipamentelor şi neutrul reţelei de joasă tensiune; R0 – rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de exploatare a părţii de medie tensiune a postului de transformare.

Page 9: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

8

Modul de tratare a neutrului reţelelor publice de joasă tensiune Tabelul 7.3

Ţara/ Tensiunea nominală

Sistemul de tratare a neutrului

Observaţii

1 2 3

Germania 230/400 V TT şi TN-C

Schema TN este cel mai frecvent utilizată, exis-tând conexiune la pământ la consumatori chiar şi în schema TN. R0 < 2 Ω.

Belgia 230/400 V TT

Se utilizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate la IΔn = 30 mA, incluse în toate prizele instalaţiei. Rp < 100 Ω.

Spania 230/400 V TT

Se utilizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate la IΔn = 30 mA, la capătul dinspre sursă al instalaţiei. Rp < 800 Ω.

Franţa 230/400 V TT

Se utilizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate la IΔn = 30 mA, incluse în toate prizele instalaţiei. Rp < 50 Ω.

Anglia 240/415 V TT şi TN-C

În reţelele de distribuţie urbane se utilizează sche-ma TN-C, fiind acceptate dezvoltări de maximum 15 % ale reţelei, în schemă TN-S. Rp < 10 Ω. În reţelele de distribuţie rurale se utilizează sche-ma TT.

Franţa 230/400 V TT

Se utilizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate funcţie de rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de protecţie, Rp: IΔn < 50/ Rp. Pentru consumatorii la care nu există conexiune la instalaţia de legare la pământ de protecţie se uti-lizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate la IΔn = 30 mA.

Japonia 100/200 V TT Se utilizează frecvent relee diferenţiale de curent

rezidual reglate la IΔn = 30 mA. Rp < 100 Ω.

Norvegia 230/400 V IT

Se utilizează relee diferenţiale de curent rezidual reglate la IΔn = 30 mA, numai pentru semnalizarea producerii simplei puneri la pământ. Dubla punere la pământ este rapid deconectată.

Portugalia 230/400 V TT Rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de pro-

tecţie Rp < 50 Ω.

Page 10: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

9

1 2 3

SUA 120/240 V TN-C

Carcasele consumatorilor de joasă tensiune se lea-gă la conductorul de nul, utilizat în comun. Co-nexiunea la pământ de pe partea de joasă tensiune este comună cu aceea de pe partea de medie ten-siune a posturilor de transformare.

Notaţii: TT – schemă de funcţionare în care atât neutrul sursei de joasă tensiune, cât şi carcasele conductoare ale consumatorilor sunt legate la pământ; TN – schemă de funcţionare în care neutrul sursei de joasă tensiune este legat la pă-mânt, iar carcasele conductoare ale consumatorilor sunt legate la nul. Conductorul de nul poate fi utilizat în comun, în scop de protecţie şi de alimentare (scheme TN-C) sau pot exista conductoare de nul separate (scheme TN-S); IN – schemă de funcţionare în care neutrul sursei de joasă tensiune este izolat faţă de pământ, iar carcasele conductoare ale consumatorilor sunt legate la o instalaţie de le-gare la pământ de protecţie. IΔn – intensitatea curentului de acţionare a releelor diferenţiale de curent rezidual, în ca-zul producerii unui dezechilibru datorat circulaţiei unui curent prin pământ; R0 – re-zistenţa instalaţiei de legare la pământ de exploatare; Rp – rezistenţa instalaţiei de le-gare la pământ de protecţie.

7.1.2. Nivelul supratensiunilor din reţea

Deteriorarea izolaţiei unei faze a reţelei trifazate este un eveniment care se poate produce cu mult mai mare probabilitate decât defectarea simultană a izolaţiei pe două sau trei faze. Cauzele producerii unui defect de izolaţie sunt multiple, iar consecinţele apariţiei unui asemenea eveni- ment constau în modificări ale tensiunilor şi intensităţilor curenţilor în re-ţeaua afectată, modificări a căror importanţă depinde de mărimea impe-danţei defectului şi a aceleia de tratare a neutrului reţelei.

Nivelul supratensiunilor în regim de defect monofazat este decisiv pentru alegerea nivelului de izolaţie al reţelei şi, implicit, pentru alegerea corespunzătoare a descărcătoarelor cu rezistenţă variabilă (care asigură protecţia echipamentelor reţelei la supratensiuni tranzitorii, aşa cum sunt supratensiunile de trăsnet şi cele de comutaţie). De asemenea, nivelul supratensiunilor de frecvenţă industrială, mai ales în reţelele de distribu-ţie de joasă tensiune, este esenţial pentru asigurarea unui nivel corespun-zător al siguranţei împotriva electrocutării. Rezultă astfel că este necesară

Page 11: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

10

atât cunoaşterea nivelului supratensiunilor care se produc la frecvenţă in-dustrială, cât şi a nivelului supratensiunilor tranzitorii.

Procedeul uzual de analiză a regimurilor nesimetrice, inclusiv în ceea ce priveşte nivelul supratensiunilor, este acela al utilizării metodei componentelor simetrice /2, 3, 9, 10, 11/. În cazul în care reţeaua prezintă o nesimetrie naturală accentuată, o altă posibilitate de abordare analitică a regimurilor nesimetrice este aceea a utilizării componentelor modale /12, 13, 14/. În cazul utilizării metodei componentelor simetrice, se poate de-monstra că, în cazul defectelor transversale monofazate, cele trei scheme echivalente de secvenţă sunt conectate în serie (figura 7.1a), iar în cazul dublelor puneri la pământ, cele trei scheme echivalente de secvenţă sunt conectate în paralel (figura 7.1.b) /2, 3, 9, 11, 15/.

Uk0 Ukd

Uki

Ukh

Zkd

Zki

Zkh

Ikd

Iki

Ikh

~

Figura 7.1 Modul de conectare a schemelor echivalente de secvenţă pentru studiul regimului permanent de scurtcircuit monofazat (a)

şi dublă punere la pământ (b).

Dacă se cunosc impedanţele echivalente de secvenţă directă, in-versă şi homopolară (

dkZ , ikZ şi respectiv

hkZ ), precum şi tensiunea la locul producerii nesimetriei, din regimul de funcţionare anterior apariţiei acesteia (

0kU ), atunci pot fi determinate tensiunile, în componente de

Uk0 Ukd

Uki

Ukh

Zkd

Zki

Zkh

Ikd

Iki

Ikh

~

a) b)

Page 12: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

11

secvenţă (dkU ,

ikU , hkU ), la locul producerii defectului, pentru ca, ulte-

rior, prin intermediul matricelor de transformare din componente sime-trice în componente de fază, să se poată determina tensiunile în compo-nente de fază, la locul de defect.

În cazul defectelor metalice, tensiunea fazei cu defect, la locul pro-ducerii acestuia, este nulă ( 0=kRU ), iar tensiunile faţă de pământ ale fa-zelor sănătoase ating valori dependente de modul de tratare a neutrului reţelei, de puterea sursei de alimentare, de lungimea liniilor etc. Astfel, în condiţiile neglijării componentelor de tip rezistiv ale tuturor impedanţelor echivalente ale elementelor reţelei şi ale considerării unei puteri suficient de mari a surselor încât ponderea reactanţelor acestora, în reactanţa echi-valentă totală, să fie mică (

id kk XX = ), atunci tensiunile fazelor sănătoa-se sunt date de relaţii de forma

( ) ⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅

+⋅

−⋅=

23

223

0,j

XXX

UUhd

hTS

kk

kkk m . (7.1)

Modulul acestor tensiuni este dat de relaţia

hd

hhddTS

kk

kkkkkk XX

XXXXUU

+

++⋅=

2

)(3 22

0,. (7.2)

Dacă regimul imediat anterior producerii defectului era un regim normal de funcţionare, astfel încât tensiunea nu depăşeşte valoarea corespunzătoare a tensiunii celei mai ridicate a reţelei respective, şi, în plus, dacă se notează cu raportul dintre reactanţele echivalente ale schemelor de secvenţă homopolară şi directă (

0kU

Xk

dh kkX XXk /= ), atunci relaţia factorului de supratensiune, corespunzător fazelor sănătoase, devi-ne de forma

21

32

+++

⋅=X

XXFNU k

kkk . (7.3)

În figura 7.2 este reprezentată dependenţa factorului de supraten-siune de raportul dintre reactanţele echivalente de secvenţă homopolară şi

Page 13: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

12

directă ale reţelei, în condiţiile producerii unei nesimetrii transversale monofazată şi în ipoteza simplificatoare a neglijării tuturor rezistenţelor schemei, pentru întreg domeniul de variaţie a raportului

dh kkX XXk /= , acoperind, astfel, toate posibilităţile reale de tratare a neutrului reţelelor electrice, fie ele de transport sau de distribuţie a energiei.

0

1

2

3

4

5kU

FN (u.r.)

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

kX = Xkh/Xkd

√3

√3/2 -2

Figura 7.2 Dependenţa factorului de supratensiune temporară corespunzător defectului transversal monofazat de raportul kX.

În cazul dublei puneri la pământ, schemele echivalente de secvenţă

directă, inversă şi homopolară sunt conectate în paralel, în raport cu locul producerii nesimetriei. Dacă se neglijează toate rezistenţele, inclusiv aceea a arcului electric de defect, iar puterea surselor se consideră sufi-cient de mare încât reactanţele echivalente de secvenţă directă şi inversă să fie, practic, egale (

id kk XX = ), atunci tensiunile fazelor cu defect vor fi nule, la locul producerii acestuia, iar tensiunea relativă a fazei speciale poate fi calculată cu relaţia

1232

+=

X

XFNU k

kk . (7.4)

Page 14: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

13

în care dh kkX X/Xk = , iar raportarea este făcută la tensiunea .

0kUPentru toată gama de moduri de tratare a neutrului întâlnite în reţe-

lele reale, dependenţa factorului de supratensiune din regimul nesimetric de dublă punere la pământ de raportul este dată în figura 7.3. Xk

0

1

2

3

4

5

-20 -16 -12 -8 -4 0 4 8 12 16 20

kX = Xkh /Xkd

kU2FN (u.r.)

1,5

-1/2

Figura 7.3 Dependenţa factorului de supratensiune temporară corespunzător

dublei puneri la pământ de raportul kX. Din analiza reprezentărilor grafice date în figurile 7.2 şi 7.3 rezultă

că nivelul supratensiunilor temporare generate de defectele transversale monofazate este mai mare, în majoritatea situaţiilor, decât acela cores-punzător dublelor puneri la pământ. Aşa cu se poate observa, însă, din figura 7.4, există, totuşi, un domeniu de valori ale parametrului (do-meniu notat cu ∆k

XkX şi cuprins între 1 şi 4,4), care corespunde unor situaţii

reale de tratare a neutrului reţelelor electrice, pentru care nivelul supra-tensiunilor datorate dublei puneri la pământ este mai mare decât acela datorat defectului transversal monofazat.

Trebuie subliniat, însă, că reprezentarea grafică din figura 7.4 co-respunde cazului neglijării tuturor pierderilor din elementele constructive ale reţelei, a rezistenţei defectului şi a pământului. Considerarea pierde-

Page 15: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

14

rilor conduce, în general, la reducerea nivelului supratensiunilor, acest fapt fiind evident în cazul în care Xk < 0 /3/. Există, totuşi, anumite do-menii de valori ale parametrului Xk pentru care considerarea pierderilor conduce la valori mai mari ale factorilor de supratensiune decât în cazul neglijării acestora. Asemenea situaţii pot să apară numai în domeniul de valori supraunitare ale parametrului Xk /16/.

0

1

2

0 2 4 6 8 10

1

2

∆kX

kUFN ; kU

2FN (u.r.)

kX = Xkh/Xkd

Figura 7.4 Dependenţa factorilor de supratensiune temporară, corespunzători nesimetriilor transversale în reţele cu neutrul legat la pământ

direct sau printr-o anumită impedanţă, de raportul kX: 1- defect monofazat; 2 – defect bifazat cu pământ .

Domeniul de valori (-∞, +∞) ale parametrului Xk acoperă toate

modurile posibile de tratare a neutrului reţelelor electrice, pentru orice dispunere a defectului transversal în reţea. Gama de valori ale parametru-lui Xk , corespunzătoare reţelelor reale, poate fi împărţită, în funcţie de modul de tratare a neutrului, astfel /3/: Pentru cazul neutrului izolat, în schema de secvenţă homopolară ele-mentul principal rămâne capacitatea faţă de pământ a reţelei (C0) şi, ca urmare, reactanţa capacitivă are semnul „-”, iar Xk < 0. În situaţiile reale, parametrul Xk ia valori mari, către limita din stânga a abscisei sistemului de axe de coordonate, acestea fiind invers proporţionale cu mărimea capacităţii C0;

Page 16: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

15

Pentru neutru legat direct la pământ, parametrul ia valori de ordi-nul câtorva unităţi, în mod uzual cuprins între 1 ÷ 3. Dacă reţeaua are în componenţa sa multe transformatoare cu neutrul legat direct la pă-mânt, precum şi linii de lungime relativ mică, atunci sunt posibile şi valori ale parametrului k

Xk

X mai mici decât 1; Pentru neutru legat la pământ prin impedanţă redusă, raportul kX ia valori cuprinse între 3 şi 10, fiind cu atât mai mare cu cât impedanţa conectată între punctul neutru al sursei şi pământ este mai mare; Pentru neutru compensat (tratat cu bobină de stingere), factorul ia cele mai mari valori, mărimea acestora fiind invers proporţională cu abaterea de la acordarea perfectă a bobinei. În regim de supracompen-sare > 0, iar în regim de subcompensare < 0.

Xk

Xk XkExaminând graficul dependenţei supratensiunilor de regim nesime-

tric permanent în funcţie de raportul , (figura 7.2 şi figura 7.3), se observă că, în cazul neutrului izolat sau tratat cu bobină de stingere, factorul de supratensiune variază între limite largi, la defect monofazat tensiunile fazelor sănătoase devenind egale cu tensiunea de linie. O ase-menea comportare a reţelei, în ceea ce priveşte supratensiunile tempo-rare, nu este convenabilă pentru alegerea descărcătoarelor cu rezistenţă variabilă, reflectându-se în creşteri nejustificate ale cheltuielilor pentru izolaţia elementelor componente ale reţelei. Pentru evitarea acestui ne-ajuns, a fost adoptată o clasificare a reţelelor în funcţie de nivelul acestor supratensiuni. Se utilizează, în acest scop, noţiunea de factor de legare la pământ (k

dh kk X/X

p), definit ca raport între tensiunea de fază, în regimul normal de funcţionare al reţelei, şi tensiunea fază-pământ, pe fazele sănătoase, în regim de defect transversal monofazat. Din acest punct de vedere, reţe-lele electrice pot face parte din una dintre următoarele două categorii:

efectiv legate la pământ, dacă kp < 1,4 ; neefectiv legate la pământ, dacă kp > 1,4.

Cu aproximaţie, valoarea 3kX = separă reţelele electrice în cele două categorii enumerate anterior.

Solicitarea de natură dielectrică nu este determinată numai de su-pratensiunile de frecvenţă industrială, ci şi de acelea tranzitorii. În acest

Page 17: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

16

sens, prezintă importanţă determinarea valorilor maxime ale supratensi-unilor generate de regimurile tranzitorii având drept cauză un fenomen sau un proces intern reţelei.

Abordarea analitică a regimului tranzitoriu de defect monofazat prezintă unele dificultăţi datorate, în principal, complexităţii schemelor reţelelor reale. Pentru cazul cel mai simplu, al unei singure linii alimen-tate de la o sursă unică, în condiţiile neglijării pierderilor în elementele reţelei şi ale considerării unei perfecte simetrii ale acesteia şi a sistemului de tensiuni care o potenţializează, schema electrică echivalentă este de forma celei prezentate în figura 7.5. Această schemă echivalentă este dată pentru cazul general, în care între punctul neutru al sursei şi pământ se află o inductivitate, corespunzătoare elementului de tratare a neutrului, iar semnificaţia notaţiilor este următoarea: L – inductivitatea totală a unui circuit de fază, incluzând sursa, linia şi consumatorii; C – capacitatea totală dintre două faze ale reţelei; C0 – capacitatea totală faţă de pământ a fiecăreia dintre fazele reţelei; LN – inductivitatea elementului de tratare a neutrului.

C0

~

~

~

uT

uS

uR

C0 C0

C

C

C

L

L

L

LN

Figura 7.5 Schema electrică echivalentă a unei reţele la un moment de timp anterior producerii unui defect transversal monofazat

Dacă se consideră condiţiile iniţiale cele mai defavorabile ale pro-

ducerii defectului metalic

mR Uu = şi 2m

TSUuu +== , (7.5)

Page 18: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

17

Um reprezentând valoarea de vârf a tensiunii de fază, atunci schema echi-valentă a regimului tranzitoriu de egalizare a tensiunilor pe capacităţile reţelei, determinat de şuntarea capacităţii faţă de pământ a fazei defecte, devine de forma celei prezentate în figura 7.6.

C0

Figura 7.6 Schema electrică echivalentă corespunzătoare regimului tranzitoriu de egalizare a tensiunilor

După redistribuirea sarcinilor electrice, tensiunea de egalizare, la care rămân încărcate capacităţile din schemă se calculează cu relaţia /3/

( ) 0

0

0

0 322

22

232

CCCCU

CC

UCUCu m

mm

eg ++

⋅=+

⋅+⋅= , (7.6)

în mod evident mai mică decât tensiunea la care era încărcată capacitatea echivalentă dintre faze, în momentul iniţial al producerii defectului. În aceste condiţii, schema echivalentă în care se analizează regimul oscilant generat de producerea defectului devine de forma celei prezen-tate în figura 7.7, în care poate fi scris următorul sistem de ecuaţii /3/:

⎪⎪⎪

⎪⎪⎪

+=

⋅⋅+

+=

⋅+⋅=−

⋅−+⋅=+

∫10

0

01

1

)(21

22

iii

dtiCC

UudtdiL

dtdiLU

dtdiLu

dtdiLUU

eg

Nm

mm

. (7.7)

Um/2

2C0

2C

L/2

L

LN

-Um3Um/2

-Um Um/2

Page 19: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

ţie

18 Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribu

Figura 7.7 Schema electrică echivalentă corespunzătoare regimului liber de

defect monofazat la pământ

Sistemul de ecuaţii (7.7) se rezolvă utilizând calculul operaţional şi se obţine următoarea relaţie de calcul a componentei libere a regimului tranzitoriu de producere a unui defect monofazat /3/:

.cos))((

)( 10

0 tCCLL

CLLCUtuN

Nml ω

++−

= (7.8)

în care, semnificaţia notaţiilor este următoarea: Um – valoarea de vârf a tensiunii alternative de frecvenţă industrială; L – inductivitatea echivalentă a sursei, a reţelei şi a consumatorilor; LN – inductivitatea elementului de tratare a neutrului reţelei; C – capacitatea dintre fazele reţelei; C0 – capacitatea fazelor reţelei în raport cu pământul; ω1 – pulsaţie de regim liber, dată de relaţia

)CC)(L3L(L

LL

0N

N21 ++

+=ω . (7.9)

Expresia (7.8) poate fi particularizată, pentru diferitele moduri de tratare a neutrului, astfel:

pentru neutru legat la pământ direct, (LN = 0):

tCC

CUtu ml 100

cos)( ω+

= , (7.10)

în care

Um/2

2(C+C0)

L/2

LN

L

-UmUeg

u i

i1

i0

Page 20: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

19

)(1

0

210 CCL +=ω , (7.11)

pentru neutru izolat (LN →∞ ) sau compensat (LN >> L):

tCC

CUtu ml 110

0 cos)( ω+

= , (7.12)

în care

)(3

1

0

211 CCL +=ω . (7.13)

Componenta forţată a tensiunii fazelor sănătoase a fost determinată anterior, prin analiza regimului permanent de defect monofazat, astfel:

pentru neutru legat la pământ: uf(t) = Um⋅cosω⋅t, pentru neutru izolat sau compensat: uf(t)= 3 ⋅Um⋅cosω⋅t.

Valoarea maximă a tensiunii fază – pământ (Umax) se obţine prin sumarea amplitudinilor oscilaţiilor libere şi forţate, rezultând, astfel:

pentru neutru legat la pământ

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=0

max 1CC

CUU m ; (7.14)

pentru neutru izolat sau compensat

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+

+=0

0max 3

CCCUU m . (7.15)

Cele mai frecvent întâlnite valori ale raportului C/C0, în reţelele de transport şi de distribuţie a energiei electrice, sunt cuprinse între 1/3 şi 1/4, rezultând, astfel, un factor maxim de supratensiune tranzitorie (Umax/Um) de:

1,2 ÷ 1,25 - în reţelele cu neutrul direct legat la pământ; 2,48 ÷ 2,53 - în reţelele cu neutrul izolat sau compensat.

În reţelele subterane, realizate din cabluri cu câmp radial, capacita-tea dintre fazele reţelei este mult inferioară capacităţii dintre faze şi pă-

Page 21: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

20

mânt (C << C0), astfel încât valorile factorul de supratensiune rezultă:

1,00 - în cazul neutrului legat direct la pământ; 2,73 - în cazul neutrului izolat sau compensat.

Determinarea pe cale analitică a nivelului supratensiunilor de co-mutaţie este foarte dificilă, în cazul considerării pierderilor din reţelele reale, cu structură complexă, iar abordarea analitică a succesiunilor de regimuri tranzitorii electromagnetice, determinate de producerea defecte-lor şi funcţionarea automaticii şi protecţiilor reţelei, este, practic, imposi-bilă. Succesiunile de regimuri tranzitorii din reţelele electrice, determi-nate de producerea unor defecte şi de funcţionarea, corespunzătoare, a sistemelor de protecţie, pot fi, însă, analizate prin modelare şi simulare asistată de calculator. Pentru exemplificare, în figura 7.8.a este dată re-prezentarea grafică a succesiunii de regimuri tranzitorii electromagnetice corespunzătoare producerii unei simple puneri la pământ, prin arc electric intermitent, într-o reţea de medie tensiune având neutrul izolat, iar în figura 7.8.b este dată variaţia în timp a tensiunilor de fază, în cazul pro-ducerii unui scurtcircuit monofazat, într-o reţea de înaltă tensiune având neutrul direct legat la pământ

În cazul reţelelor cu neutrul izolat, regimul tranzitoriu de trecere de la funcţionarea normală la funcţionarea în regim de simplă punere la pă-mânt este un regim de scurtă durată, nedepăşind, practic, o perioadă a tensiunii alternative de frecvenţă industrială, atât la producerea defectu-lui, cât şi la reaprinderea arcului electric de defect, aşa cum se poate ob-serva din figura 7.8.a. Tensiunile fazelor sănătoase se stabilizează, rapid, la o valoare egală cu tensiunea de linie (de √3 ori mai mare decât tensiu-nea normală de serviciu), atât la apariţia defectului, cât şi la reaprinderea arcului electric de defect.

Supratensiunile tranzitorii sunt semnificativ mai mari la reaprinde-rea arcului electric de defect, faţă de acelea corespunzătoare defectului iniţial. Astfel, dacă factorul de supratensiune de comutaţie, corespunzător producerii simplei puneri la pământ, este de aproximativ 2,6 unităţi rela-tive, prima reaprindere a arcului electric de defect determină o supra-tensiune de comutaţie de aproximativ 3,6 unităţi relative.

Eventualele reaprinderi ulterioare ale arcului electric de defect nu generează supratensiuni de comutaţie mult mai mari decât prima rea-

Page 22: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

21

prindere. Această evoluţie a tensiunilor subliniază solicitarea dură pe care trebuie să o suporte izolaţia reţelei, la producerea unei simple puneri la pământ, prin arc electric intermitent, şi conduce, de obicei, la soluţia a-doptării unui alt mod de tratare a neutrului

Figura 7.8 Variaţia în timp a tensiunilor pe cele trei faze ale unei reţele

în cazul producerii unei simple puneri la pământ prin arc electric intermitent într-o reţea de medie tensiune având neutrul izolat (a), respectiv a unui

scurtcircuit monofazat metalic într-o reţea de înaltă tensiune având neutrul direct legat la pământ (b).

20 40 60 80 100

-40

-20

0

20

40

u [kV]

t [ms]

R S

T

0 10 20 30 40 50 60 70-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

[kV]

a)

b) R

T S

t [ms]

Page 23: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

22

Regimul tranzitoriu asociat producerii unui scurtcircuit metalic în reţele având neutrul direct legat la pământ este, în cazul reţelelor de transport a energiei electrice, de câteva perioade ale tensiunii alternative de frecvenţă industrială (până la atenuarea componentei aperiodice a ten-siunilor şi curenţilor tranzitorii), supratensiunile de regim tranzitoriu a-ting nivelul de 1,3 unităţi relative şi descresc până la valoarea unitară, corespunzătoare regimului stabilizat de scurtcircuit monofazat metalic. În cazul reţelelor de joasă tensiune având neutrul direct legat la pământ, ni-velul supratensiunilor tranzitorii este redus, iar durata regimului tranzi-toriu este foarte scurtă, datorită constantei mai mici de timp a acestor re-ţele, în raport cu aceea a reţelelor de transport a energiei electrice.

În categoria supratensiunilor tranzitorii, dar care nu au drept cauză un fenomen intern reţelei, intră şi supratensiunile determinate de descăr-cările de trăsnet în elementele reţelei sau în vecinătatea acestora. Deoare-ce unui anumit mod de tratare a neutrului reţelelor îi corespund anumite moduri de realizare a conexiunilor înfăşurărilor trifazate ale transforma-toarelor, va exista o anumită dependenţă între modul de tratare a neutru-lui reţelei şi solicitarea izolaţiei înfăşurărilor, solicitare dată de supraten-siunile de trăsnet care se propagă pe liniile electrice.

De asemenea, modul de tratare a neutrului reţelei are o influenţă implicită şi asupra parametrului număr specific de deconectări al liniilor electrice aeriene, deconectări datorate conturnării izolaţiei acestor linii, ca efect al loviturilor directe de trăsnet în elementele constructive ale a-cestora /2, 3, 17/.

7.1.3. Nivelul curenţilor de defect

Mărimea curentului de defect, a curentului de defect monofazat în particular, are o influenţă semnificativă asupra mai multor parametri care se analizează atunci când este adoptat un anumit mod de tratare a neutru-lui unei reţele electrice. Cele mai importante influenţe ale intensităţii cu-rentului de defect se manifestă asupra: posibilităţilor de detectare a defectelor şi a sensibilităţii şi selectivităţii protecţiilor;

Page 24: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

23

continuităţii în alimentarea consumatorilor; solicitărilor termice şi electrodinamice ale echipamentelor instalate în reţea; potenţialelor prizelor de pământ parcurse de curentul de defect; perturbaţiilor electromagnetice induse în liniile de telecomunicaţii ca-re au trasee paralele cu liniile reţelei electrice.

Importanţa acestor consecinţe, ca şi ponderea asociată cauzelor ca-re le determină, poate diferi, de la un caz la altul, funcţie de tensiunea no-minală şi de tipul constructiv al reţelei electrice.

În general, într-o reţea fără nesimetrii pronunţate ale capacităţilor fazelor, defectul de izolaţie iniţial, în raport cu pământul, apare în mod independent de sistemul de tratare a neutrului, însă evoluţia ulterioară a fenomenelor este influenţată, semnificativ, de modul de tratare a neutru-lui reţelei /1/. Din acest motiv, este necesară o analiză a influenţei pe care o are modul de tratare a neutrului asupra evoluţiei şi parametrilor defec-telor transversale, nu numai în ceea ce priveşte nivelul supratensiunilor, dar şi în ceea ce priveşte nivelul curenţilor de defect.

Relaţia generală de calcul a intensităţii curentului stabilizat de de-fect monofazat, în ipoteza sursei de putere suficient de mare, pentru care se poate considera că impedanţa echivalentă de secvenţă inversă este e-gală cu aceea de secvenţă directă, şi în ipoteza unui defect transversal de rezistenţă ra, este de forma /9, 10/:

akk

kFNk rZZ

UI

hd⋅++⋅

⋅=

323

0 , (7.16)

în care notaţiile au următoarea semnificaţie: Uk0 – tensiunea la locul producerii nesimetriei transversale, în regimul imediat anterior apariţiei acesteia;

dkZ - impedanţa echivalentă de secvenţă directă, calculată în raport cu lo-cul nesimetriei şi considerată ca fiind egală cu impedanţa de secvenţă in-versă,

ikZ , datorită considerării unei puteri suficient de mari a sursei;

hkZ - impedanţa echivalentă de secvenţă homopolară; ra – rezistenţa acului electric de defect.

Page 25: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

24

Dacă se raportează relaţiile de calcul ale intensităţilor curenţilor de scurtcircuit trifazat şi monofazat, atunci rezultă dependenţa acestui raport în funcţie de factorul

dh kkX X/Xk = , aşa cum este aceea prezentată în figura 7.9.

Figura 7.9 Dependenţa raportului dintre intensităţile curenţilor de scurtcircuit trifazat şi monofazat în funcţie de raportul kX =Xkh /Xkd.

kX = Xkh/Xkd 0

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5Ik

3F/ IkFN (u.r.)

Practic, în toate situaţiile reale de exploatare, factorul ia aseme-

nea valori încât intensitatea curentului de scurtcircuit trifazat este mai mare decât aceea de scurtcircuit monofazat. Cu toate acestea, aşa cum se poate observa şi din figura 7.9, situaţia în care toate punctele neutre sunt legate la pământ (k

Xk

X = 1) este caracterizată prin egalitate între intensi-tăţile curenţilor corespunzători celor două tipuri de defect transversal, fapt inacceptabil pentru exploatarea reţelelor electrice. Deoarece marea majoritate a defectelor de izolaţie ale reţelelor electrice sunt defecte mo-nofazate (peste 80 %), egalitatea intensităţilor celor doi curenţi de scurt-circuit ar determina uzura prematură a întrerupătoarelor reţelei, puse, ast-fel, în situaţia de a deconecta, frecvent, curenţi de defect foarte intenşi.

Pentru a evita această situaţie inacceptabilă în funcţionarea reţelelor electrice, se iau măsuri de creştere a factorului kX, astfel încât intensitatea curentului de scurtcircuit monofazat să fie cel mult 60 % din intensitatea curentului de scurtcircuit trifazat. Acest deziderat poate fi atins fie prin

Page 26: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

25

izolarea unor puncte neutre, fie prin tratarea neutrului cu bobină de stin-gere sau cu rezistor de valoare redusă.

Conform /1/, relaţia de calcul a intensităţii curentului din circuit, în timpul regimului tranzitoriu de simplă punere la pământ, este de forma

tsheL

ui t1

ωδ ⋅⋅

⋅= ⋅− , (7.17)

semnificaţia notaţiilor fiind următoarea: LRo 2/=δ - factorul de amortizare a componentei aperiodice;

221 oωδω −= - frecvenţa oscilaţiilor circuitului;

LC/1o =ω - frecvenţa de rezonanţă a circuitului; Ro - rezistenţa totală a căii de circulaţie a curentului de simplă punere la pământ; L, C – inductivitatea, respectiv capacitatea de serviciu.

Aşa cum s-a arătat anterior, atât forma curentului, cât şi evoluţia re-gimului tranzitoriu de defect depind de parametrii reţelei şi, implicit, de modul de tratare a neutrului acesteia, astfel /1/: dacă LCRo ⋅< 2 , atunci curentul tranzitoriu are un caracter oscilant amortizat; dacă LCRo ⋅≥ 2 , curentul din circuit se amortizează după un proces aperiodic.

În cazul reţelelor având neutrul izolat sau tratat cu bobină de stin-gere, curentul de defect are caracter oscilant amortizat. Raportul dintre valorile maxime consecutive, care caracterizează, de fapt, amortizarea, ia valori cuprinse între 1,5 şi 2 - în cazul reţelelor aeriene şi este mai mare decât 3 - în cazul reţelelor de cablu.

Dacă reţeaua are neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere, a-tunci intensitatea curentului, din timpul procesului tranzitoriu, poate fi important mai mare decât aceea corespunzătoare regimului permanent de simplă punere la pământ. Pentru aceste două moduri de tratare a neutru-lui, fenomenele sunt, practic, similare pe durata regimului tranzitoriu, di-ferind doar cantitativ, în regimul stabilizat de defect /1/. Pentru exempli-ficare, în figura 7.10 este dată evoluţia în timp a curenţilor ce apar în timpul unei simple puneri la pământ, urmată de o reaprindere a arcului

Page 27: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

26

electric de defect, în condiţiile iniţiale cele mai defavorabile. Se eviden-ţiază, astfel, influenţa majoră pe care o are valoarea instantanee a tensiu-nii, din momentul aprinderii arcului electric de defect, asupra valorii in-tensităţii curentului tranzitoriu.

Figura 7.10 Variaţia în timp a curentului de simplă punere la pământ într-o reţea de linii în cablu, având neutrul izolat temporar.

Defectul se caracterizează prin existenţa arcului electric intermitent. Spre deosebire de situaţia corespunzătoare reţelelor având neutrul

izolat sau tratat cu bobină de stingere, procesele tranzitorii din reţelele având neutrul tratat cu rezistor de limitare sunt mult mai rapid amor-tizate. Datorită faptului că, în multe dintre situaţii, înregistrările efectuate în reţelele reale nu conduc la evidenţierea clară a unui regim tranzitoriu, indiferent de valoarea instantanee a tensiunii din momentul producerii simplei puneri la pământ, soluţia efectuării de astfel de observaţii este aceea a simulării asistate de calculator a regimurilor tranzitorii electro-magnetice. De exemplu, evoluţia unui astfel de regim tranzitoriu poate fi urmărită în reprezentarea grafică din figura 7.11, obţinută prin simulare asistată de calculator /12, 13/, pentru aceeaşi reţea de medie tensiune pen-tru care a fost dată evoluţia regimului tranzitoriu din figura 7.10.

În acelaşi timp, prezenţa rezistorului de tratare a neutrului conduce

20 40

-2000

-1500

-1000

-500

60 80 100

0

500

t [ms]

1000

1500

2000i [A]

Page 28: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

27

la intensităţi mari ale curentului, transformând, astfel, simpla punere la pământ în scurtcircuit monofazat, tronsonul de reţea afectat de defect tre-buind să fie deconectat.

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800i [A]

20 30 40 50 60 70 80 90 t [ms] Figura 7.11 Variaţia în timp a curentului de scurtcircuit monofazat într-o

reţea de medie tensiune realizată cu linii de cablu şi având neutrul tratat prin rezistor.

Dezavantajul numărului sporit de acţionări ale întrerupătoarelor, în

prezenţa defectului, este parţial compensat, însă, de valoarea limitată de către rezistor a intensităţii curentului de defect monofazat şi, deci, de condiţiile mai uşoare de extincţie a arcului electric.

În cazul în care neutrul reţelei este legat la pământ, defectul trans-versal monofazat este un scurtcircuit, caracterizat prin supracurenţi de intensitate mare. În cazul reţelelor de înaltă şi foarte înaltă tensiune, care au neutrul legat la pământ şi sunt realizate, în special, din linii electrice aeriene, regimul tranzitoriu de scurtcircuit se caracterizează prin existenţa unei componente aperiodice, care se atenuează, practic, în totalitate, după 6 ÷ 7 perioade ale tensiunii alternative de frecvenţă industrială.

Aceste observaţii sunt ilustrate grafic în figura 7.12, unde sunt date rezultatele simulării unei secvenţe de funcţionare a automaticii de reco-nectare rapidă, cu un singur ciclu, a unei linii de 400 kV, ca urmare a producerii unui scurtcircuit monofazat metalic. Simularea este astfel ima-

Page 29: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

28

ginată încât condiţiile iniţiale ale primului defect sunt cele mai defavo-rabile, iar acţionările polilor întrerupătoarelor de la extremităţile liniei nu sunt sincrone. Valoarea mai mică a curentului maxim de defect înregis-trat la reconectarea liniei, în raport cu primul defect, se datorează faptului că, pentru puţin timp, linia cu defect este conectată doar la un capăt al ei, acţionarea întrerupătoarelor fiind nesincronă, atât la anclanşare, cât şi la declanşare.

Figura 7.12 Variaţia în timp a curentului de scurcircuit monofazat în cazul secvenţei de reanclanşare automată rapidă nereuşită pentru o linie de 400 kV.

7.1.4. Riscul de electrocutare

Adoptarea unui anumit mod de tratare a neutrului reţelelor electrice are o influenţă, semnificativă, asupra riscului de electrocutare, caracteri-zată prin intensitatea curenţilor care se poate închide prin corpul uman – în cazul atingerilor directe, respectiv prin nivelul tensiunilor accidentale, de atingere şi de pas, în cazul atingerilor indirecte.

Dacă în cazul reţelelor de distribuţie de medie tensiune se pune în mai mică măsură problema riscului electrocutării prin atingere directă, datorită accesului limitat al persoanelor la părţile active ale instalaţiilor,

0 100 200 500 600 700 800

-20

-10

0

10

20 i [kA]

t [ms]

Page 30: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

29

în instalaţiile electrice de joasă tensiune, acest risc este semnificativ, mo-tiv pentru care trebuie adoptate o serie de măsuri tehnice particulare /18/.

Indiferent de structura şi de particularităţile reţelei, cea mai mare valoare a intensităţii curentului, prin corpul uman, se stabileşte la atinge-rea bipolară. În acest caz, la o valoarea U a tensiunii de linie a reţelei şi la o valoare Rh a rezistenţei corpului, mărimea intensităţii curentului care trece prin om este dată de legea lui Ohm

hh R

UI = , (7.18)

neexistând nici un element de limitare a curentului ce se închide prin corp, pe care să se producă o anumită cădere de tensiune. Astfel, atinge-rea bipolară este cea mai periculoasă pentru om. Totuşi, statistica eveni-mentelor arată că majoritatea accidentelor se datorează atingerilor unipo-lare, astfel încât atingerile bipolare nu constituie un criteriu pentru apre-cierea pericolului pe care îl prezintă o anumită instalaţie electrică /19/.

Gravitatea efectelor unei atingeri unipolare depinde, mai ales, de ti-pul reţelei şi de regimul în care funcţionează reţeaua în raport cu pămân-tul. Astfel, relativ la tipul reţelei, în reţelele de curent alternativ circulă curenţi capacitivi, care nu circulă în reţelele de curent continuu, iar în ca-zul în care neutrul reţelei este izolat faţă de pământ, aceşti curenţi pot avea o pondere foarte mare în curentul total care circulă prin corp.

De exemplu, la atingerea directă într-o reţea simplă, izolată faţă de pământ, schema echivalentă corespunzătoare intercalării omului în circuit este de tipul celei prezentate în figura 7.13.

~ L2

L1

Figura 7.13 Schema electrică echivalentă la atingere directă în reţele simple izolate faţă de pământ

U

Z1 Z2

Z2

Rh Z1

L2

L1

U2

Uh

U

Ih I1

I C0 Riz

Rh Rt

Rt

Page 31: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

30

În schema echivalentă din figura 7.13, cu Rh s-a notat rezistenţa omului intercalat în circuit, cu Riz rezistenţa de izolaţie faţă de pământ, cu C0 capacitatea faţă de pământ a polilor reţelei, iar cu Rt rezistenţa unei pardoseli electroizolante sau a echipamentului individual de protecţie.

Dacă în calculul intensităţii curentului prin corpul uman nu se in-troduc ipoteze simplificatoare, atunci curentul va avea atât o componentă capacitivă, cât şi una activă. În cazul ideal, al reţelei perfect simetrice, ce-le două componente ale curentului total sunt date de relaţiile /18/:

( ) izthactivh RRR

UI++⋅

=2

şi (7.19)

( ) 20

220

41 CRR

UCIth

capacitivh⋅⋅+⋅+

⋅=

ω

ω , (7.20)

intensitatea curentului total, care dă gravitatea electrocutării, rezultând

22capacitivhactivhh III += . (7.21)

Din relaţiile (7.19) şi (7.20) se poate observa că rezistenţa de izo-laţie a reţelei limitează, semnificativ, doar componenta activă a curentu-lui care se închide prin corpul uman, fără a avea influenţă asupra compo-nentei capacitive a acestuia. Rezultă, deci, că reţelele simple izolate faţă de pământ şi de extindere mică prezintă un risc redus de electrocutare la atingere directă, dacă rezistenţa de izolaţie se păstrează în limite accep-tabile. În cazul în care reţeaua este realizată din linii de cablu, chiar şi la lungimi mici ale acestora, ponderea cea mai mare, în curentul total ce se închide prin corpul uman, o poate avea curentul capacitiv al reţelei. Cum reţelele urbane şi industriale sunt realizate, practic în totalitate, din linii de cablu, componenta capacitivă a curentului prin corpul uman nu poate fi neglijată. În aceste condiţii, singura protecţie eficientă împotriva elec-trocutării este aceea asigurată de echipamentul individual de protecţie şi de pardoselile electroizolante.

Dacă se consideră o reţea trifazată având neutrul izolat, la atingerea directă a unui conductor activ al acestei reţele, schema electrică echiva-lentă devine de forma celei prezentate în figura 7.14, în care impedanţele Z ale fazelor sunt formate din capacităţile naturale faţă de pământ, Co, şi

Page 32: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

31 rezistenţa de izolaţie în raport cu pământul, Riz.

Figura 7.14 Schema electrică corespunzătoare atingerii directe a unui conductor de lucru din reţele trifazate izolate faţă de pământ

Dacă înaintea intercalării omului în circuit reţeaua este perfect si-

metrică şi alimentată cu un sistem echilibrat de tensiuni, în momentul intercalării omului în circuit se modifică impedanţa fazei atinse, în raport cu pământul, această nesimetrie afectând steaua tensiunilor de fază, fără a afecta şi triunghiul tensiunilor de linie, aşa cum se poate observa din dia-grama fazorială reprezentată în figura 7.15.

Figura 7.15 Diagrama fazorială a tensiunilor, la atingere directă, într-o reţea trifazată izolată

Rezolvarea ecuaţiei de curenţi, dată de legea a I-a a lui Kirchhoff,

în raport cu pământul conduce la determinarea tensiunii de deplasare a neutrului, U0, şi, ulterior, la determinarea relaţiei de calcul a modulului

Z1

U

U

S

~

~

~

T

U

Z

R

Rh Z2 Z3 Ih I3 I2 I1

Riz

C0

UR

US UT

URSUTR

U’R

U’SU’T O

O’

U0

UST

Page 33: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

32

intensităţii curentului care circulă prin corp /18/:

( )( )22

022

'

1961

13

izh

izhizhh

RCRRRRR

UI

ω++⋅

+= , (7.22)

în care cu U s-a notat tensiunea de fază a reţelei. Dacă reţeaua are capacitate transversală neglijabilă sau dacă aceas-

ta este o reţea de curent continuu, intensitatea curentului prin corpul u-man se obţine particularizând relaţia (7.22) pentru C0 = 0, obţinându-se relaţia

33

')0( 0 iz

h

Ch RR

UI+

== , (7.23)

din care rezultă, evident, rolul limitator pe care îl are rezistenţa de izo-laţie a reţelei asupra intensităţii curentului prin corpul uman. Astfel, dacă prin anumite măsuri tehnice este menţinută rezistenţa de izolaţie a reţelei la valori mari, atingerea directă a unei faze a unei reţele trifazate izolate, dar de capacitate mică, poate fi complet inofensivă.

Datorită faptului că rezistenţa de izolaţie a reţelelor izolate faţă de pământ are un rol important în protecţia împotriva electrocutării, aseme-nea reţele sunt utilizate pentru alimentarea utilajelor din zonele pericu-loase. Astfel, în subteran, la exploatările miniere, unde condiţiile de de-servire a utilajelor sunt deosebit de grele, datorită umidităţii şi căldurii excesive, se utilizează numai reţele izolate faţă de pământ /19, 20/. De a-semenea, utilajele electrice portabile, utilizate în medii periculoase şi foarte periculoase, pot fi alimentate prin intermediul unor transformatoa-re de separaţie cu conexiune în triunghi, pe partea consumatorilor /20/.

În realitate, chiar la o funcţionare normală a reţelei, nu este posibil ca, întotdeauna, rezistenţa de izolaţie a reţelei să fie menţinută la o va-loare suficient de mare încât trecerea curentului prin corpul uman să fie nepericulasă. Chiar dacă rezistenţele de izolaţie ale tuturor echipamente-lor şi liniilor de alimentare se încadrează în valorile normate, rezistenţa de izolaţie a întregii reţele poate să scadă sub valoarea care ar limita cu-rentul, la un nivel nepericulos, în cazul atingerii monofazate. De aseme-nea, dacă capacitatea faţă de pământ a reţelei este mare, riscul producerii

Page 34: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

33

electrocutării la atingere directă creşte, datorită creşterii componentei ca-pacitive a curentului ce se închide prin corpul uman. Pentru a evidenţia a-cest aspect, se poate considera situaţia limită în care rezistenţa de izolaţie a reţelei este şuntată de reactanţa capacitivă a acesteia. În aceste condiţii, intensitatea curentului prin corpul uman este dată de relaţia

( ) 220

20

91

3

hRh

RC

CIiz

ω

ω

+=∞→ , (7.24)

fiind evident faptul că rezistenţa de izolaţie a reţelei nu limitează compo-nenta capacitivă a curentului care dă gravitatea electrocutării, la fel ca şi în cazul reţelelor monofazate izolate faţă de pământ.

În plus, dacă una dintre fazele reţelei are izolaţia complet deterio-rată sau este pusă la pământ, accidental, atingerea directă a oricăreia din-tre fazele sănătoase este identică cu o atingere bipolară, omul fiind supus tensiunii de linie. În sistemele cu neutrul izolat, pericolul punerii la pă-mânt a unei faze este punctul cel mai slab al acestui gen de distribuţie şi, în consecinţă, acesta poate fi un motiv al legării punctului neutru al sursei la pământ.

Majoritatea utilajelor electrice sunt alimentate din reţele trifazate a-vând neutrul legat la pământ, deoarece aceste reţele prezintă o serie de avantaje în exploatare, în raport cu reţelele izolate şi, mai ales, în raport cu reţelele monofazate. La atingerea directă de către om a unui element activ al unei asemenea reţele, schema echivalentă corespunzătoare circu-laţiei curentului prin corpul uman este reprezentată în figura 7.16.

Figura 7.16 Atingerea directă într-o reţea trifazată legată la pământ

R0

L1

US

~

L2 ~

~

L3 UT

UR

Rh Ih

U

Page 35: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

34

Aşa cum se poate observa din figura 7.16, omul este supus tensiunii de fază, iar curentul care circulă prin corpul său se închide prin pământ şi prin rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de exploatare, R0. Intensi-tatea acestui curent se calculează, conform legii lui Ohm, cu relaţia

( )00 3 RRU

RRUI

hh

Th +⋅

=+

= . (7.25)

Rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de exploatare este, în con-diţii normale, mai mică de 4 Ω, astfel încât aceasta poate fi neglijată în raport cu rezistenţa de calcul a corpului uman, care, la atingere directă, are valoarea convenţională de 1000 Ω, relaţia (7.25) devenind de forma

hh

Th R

URR

UI⋅

=+

=30

. (7.26)

Rezultă, deci, că la atingerea unei părţi a instalaţiei care face parte din circuitul curenţilor de lucru, omul este supus întregii tensiuni de fază, rezistenţa de izolaţie a reţelei neavând un rol limitator, ca în cazul reţele-lor izolate faţă de pământ. Datorită rezistenţelor mici ale circuitului, in-tensitatea curentului care circulă prin corpul uman este mare. Acest deza-vantaj, din punctul de vedere al electrosecurităţii, nu poate constitui, însă, un motiv care să determine renunţarea la utilizarea distribuţiei de joasă tensiune prin reţele trifazate având neutrul legat la pământ, avantajele tehnice şi economice ale acestora fiind importante. În această categorie de reţele, este foarte importantă folosirea mijloacelor individuale de pro-tecţie împotriva electrocutării, la deservirea instalaţiilor electrice. De ase-menea, reţelele din această categorie pot fi prevăzute cu sisteme de pro-tecţie care asigură deconectarea rapidă, în cazul atingerilor accidentale, aşa cum sunt cele cu relee diferenţiale de curent rezidual /20, 21/.

Spre deosebire de atingerile directe, atingerile indirecte nu pot fi decât unipolare şi, ca şi în cazul atingerii directe, gravitatea efectelor unei atingeri depinde de tipul reţelei şi de regimul în care funcţionează reţeaua în raport cu pământul. Spre deosebire, însă, de cazul atingerii directe, în cazul atingerii indirecte prezintă o importanţă deosebită modul în care funcţionează părţile conductoare intermediare, echipamentele şi aparatele de la utilizator, în raport cu pământul.

Page 36: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

35

În cazul reţelelor trifazate izolate faţă pământ, schema electrică echivalentă corespunzătoare unei atingeri indirecte este de forma celei prezentate în figura 7.17. Pentru a simplifica abordarea analitică, schema electrică echivalentă corespunde situaţiei în care poate fi neglijată capa-citatea transversală a reţelei, fiind luată în considerare doar rezistenţa de izolaţie în raport cu pământul. Se consideră că omul atinge, simultan cu carcasa echipamentului defect, un punct din zona de potenţial nul, iar rezistenţa de izolaţie se consideră, de asemenea, în raport cu pământul de referinţă. Rdef reprezintă rezistenţa defectului, Rp rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de protecţie, iar Riz este rezistenţa de izolaţie a fazelor sănătoase în raport cu pământul.

Figura 7.17 Schema electrică echivalentă la atingere indirectă într-o reţea trifazată, de mică extindere, având neutrul izolat

Deoarece tensiunea accidentală are aceeaşi valoare, atât la nivelul

omului, cât şi la nivelul instalaţiei de legare la pământ de protecţie, re-zultă că

pphhh IRIRU ⋅=⋅= , (7.27) relaţia de calcul a intensităţii curentului care se închide prin om fiind de forma

( ) ( ) phphdefiz

ph RRRRRR

RUI

⋅++⋅+⋅⋅= 3 , (7.28)

efectul de limitare a curentului prin corpul uman fiind mai important de-

Rp

US

~

~

~

UT

UR

ZS ZT

US

~

~

~

UT

UR

Rh Uh

Ih

RdefUde

f

Rp Ip

Riz IS Riz IT

IR

Page 37: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

36

cât în cazul atingerii directe. Acesta este motivul pentru care utilizarea surselor cu neutrul izolat faţă de pământ poate constitui protecţia de bază împotriva electrocutării, în cazul utilajelor portabile /19, 20, 22/.

Dacă instalaţia de legare la pământ de protecţie este corect dimensi-onată şi nu a suferit deteriorări, atunci rezistenţa totală a acesteia este mult mai mică decât rezistenţa corpului uman, astfel încât relaţia de cal-cul a tensiunii accidentale poate fi scrisă sub forma

iz

ph R

RUU ⋅⋅= 3 , (7.29)

rolul limitator pe care îl are rezistenţa de izolaţie a reţelei fiind evident. În cazul reţelelor trifazate având neutrul legat la pământ, schema e-

chivalentă corespunzătoare unei atingeri indirecte este de forma celei prezentate în figura 7.18. Ca şi în cazul reţelelor trifazate izolate faţă de pământ, pentru a simplifica abordarea analitică, reţeaua considerată este de extindere suficient de mică încât să poată fi neglijată capacitatea trans-versală a acesteia. Schema echivalentă corespunde situaţiei în care omul atinge, simultan cu carcasa echipamentului defect, un punct din zona de potenţial nul, semnificaţia notaţiilor fiind aceeaşi ca şi în figura 7.17. În plus, R0 este rezistenţa instalaţiei de legare la pământ de exploatare.

Figura 7.18 Schema electrică echivalentă la atingere indirectă într-o reţea trifazată, de mică extindere, având neutrul direct legat la pământ

Tensiunea accidentală maximă, la care poate fi expus omul, este

dată de o relaţie de forma

Rp

US

~

~

~

UT

UR

Rh Uh Ih

RdefUde

f

Rp Ip

IR

UR

RR0

0 IR

0 U

Page 38: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

37

( ) hphp

hpRh RRRRR

RRUU

⋅++⋅⋅

⋅=0

, (7.30)

Dacă instalaţia de legare la pământ de protecţie este corespunzător proiectată şi în stare normală de funcţionare, atunci Rp « Rh, relaţia (7.30) devenind de forma

0RRR

UUp

pRh +⋅= , (7.31)

tensiunea accidentală fiind impusă doar de rezistenţele instalaţiilor de le-gare la pământ de exploatare şi de protecţie, rezistenţa izolaţiei neavând un rol limitator asupra intensităţii curentului prin corpul uman.

Rezultă că reţelele având neutrul direct legat la pământ sau tratat cu rezistor se caracterizează printr-un risc mai mare de electrocutare decât reţelele având neutrul izolat. Din acest motiv, pentru a reduce nivelul ten-siunilor de atingere şi de pas, în reţelele cu neutrul legat la pământ sau tratat cu rezistor de limitare se acordă o atenţie deosebită realizării unor instalaţii de legare la pământ cu rezistenţe mici şi păstrării valorii reduse a acestora, pe durata exploatării instalaţiilor. În acelaşi timp, însă, trebuie făcută observaţia că indiferent de valorile rezistenţelor de dispersie ale prizelor de pământ de exploatare şi de protecţie, suma căderilor de tensi-une pe acestea este egală cu tensiunea de fază a reţelei, riscul electro-cutării, la cel puţin uneia dintre instalaţiile de legare la pământ, este mare. Pe de altă parte, circulaţia unui curent de scurtcircuit intens, mai ales a-tunci când cele două instalaţii de legare la pământ sunt conectate prin intermediul unui conductor de egalizare a potenţialelor, permite deconec-tarea rapidă şi selectivă a tronsonului de reţea cu defect de izolaţie, fapt care determină reducerea riscului de electrocutare.

În concluzie, măsurile de protecţie împotriva electrocutării prin a-tingere indirectă se aplică diferenţiat, funcţie de modul de tratare a neu-trului reţelelor electrice, astfel /19/:

a) în cazul reţelelor legate la pământ:

utilizarea tensiunilor foarte joase de securitate; legarea la pământ; legarea la nul de protecţie;

Page 39: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

38

izolarea suplimentară de protecţie, aplicată utilajului sau amplasamen-tului; separarea de protecţie; egalizarea şi/sau dirijarea potenţialelor; deconectarea automată a alimentării reţelei în cazul apariţiei unei ten-siuni accidentale periculoase sau a unor curenţi de defect periculos de mari.

b) în cazul reţelelor având neutrul izolat faţă de pământ:

legarea la pământ; egalizarea şi/sau dirijarea potenţialelor; controlul permanent al rezistenţei de izolaţie faţă de pământ a reţelei, asociat cu semnalizarea producerii simplei puneri la pământ; deconectarea automată şi rapidă, a alimentării reţelei, în cazul produ-cerii unei dube puneri la pământ.

7.1.5. Alte criterii în adoptarea modului de tratare a neutului Un alt criteriu ce stă la baza analizelor destinate adoptării unui anu-

mit mod de tratare a neutrului este acela al detectării şi deconectării ra-pide şi selective a tronsoanelor de reţea cu defect.

Diferitele moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice implică valori diferite ale curenţilor de defect, atât în regimul tranzitoriu, cât şi în cel stabilizat, precum şi valori diferite ale supratensiunilor. În aceste con-diţii, diferă substanţial şi metodele de detectare a tronsoanelor de reţea în care a apărut defectul.

Adoptarea unui anumit sistem de protecţie, care să conducă la de-tectarea rapidă şi selectivă a zonei cu defect, depinde, mai ales, de tipul defectului şi de mărimea curentului de defect. Aceste elemente implică diferenţe esenţiale între sistemele de protecţie care supraveghează reţe-lele având neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere, respectiv în reţelele cu neutru legat la pământ, fie direct, fie prin rezistor de limitare.

În reţelele având neutrul legat la pământ, criteriul de detectare a de-fectului este traseul de circulaţie a curentului de defect, intensitatea aces-tuia fiind semnificativ mai mare decât aceea a curentului din regimul nor-

Page 40: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

39

mal de funcţionare. Acest fapt face ca detectarea zonei defecte să fie şi rapidă şi selectivă. Astfel, protecţiile pot fi foarte simple, aşa cum este protecţia la supracurenţi realizată cu siguranţe fuzibile, dar pot fi şi complexe, aşa cum sunt protecţiile realizate cu relee diferenţiale de cu-rent rezidual sau aşa cum sunt protecţiile de impedanţă. Sistemele complexe de protecţie sunt strict necesare în reţelele buclate, acestea ana-lizând, pe lângă criteriul curentului de defect, şi criteriul variaţiei ten-siunilor în timpul defectului, precum şi criteriul direcţionalităţii /23/.

În reţelele având neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere, nu poate fi folosit criteriul curentului de defect, deoarece intensitatea curen-tului permanent de simplă punere la pământ poate fi inferioară curentului impus de consumatorii conectaţi la reţea, în momentul producerii defec-tului. De asemenea, criteriul tensiunii nu poate fi utilizat deoarece, în întreaga reţea, pe fazele sănătoase, se înregistrează creşterea tensiunii de frecvenţă industrială, de la valoarea tensiunii de fază, la valoarea tensiu-nii de linie. Totuşi, aşa cum s-a arătat anterior (§ 7.1.3), forma specifică a procesului tranzitoriu de simplă punere la pământ poate fi utilizată ca şi criteriu de detectare a liniei cu defect, în reţelele radiale. În reţelele com-pensate, cu funcţionare buclată, se poate ţine seama de faptul că prima semiperioadă a tensiunii tranzitorii are aceeaşi polaritate cu prima semi-perioadă a curentului liber capacitiv /1/.

De asemenea, în reţelele având neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere, mai pot fi folosite, ca şi criterii de funcţionare a protecţiilor, următoarele /23, 24/: defazajele dintre tensiunea de deplasare a neutrului şi curenţii homo-polari; conţinutul de armonice superioare în curentul homopolar de defect monofazat; compararea defazajelor dintre tensiunea de deplasare a neutrului şi componenta activă a curenţilor homopolari de pe toate liniile conec-tate la sistemele de bare ale unei staţii de transformare.

Deoarece asigurarea unei sensibilităţi corespunzătoare în reţelele compensate şi, mai ales, a selectivităţii este dificilă, se caută soluţii noi pentru sistemele de protecţie, fapt care conduce la o pondere însemnată a costului sistemelor de protecţie, în costul total al acestor instalaţii.

Page 41: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

40

Un alt criteriu al analizelor destinate adoptării modului de tratare a neutrului este acela al asigurări continuităţii în alimentarea consumatori-lor. Soluţiile constructive şi operative adoptate pentru o anumită reţea au drept scop tocmai asigurarea continuităţii în alimentarea consumatorilor, asigurând, şi în această manieră, calitatea corespunzătoare a serviciului de alimentare cu energie electrică. Aşa cum este de aşteptat, toate soluţii-le tehnice adoptate sunt strâns corelate între ele, însă se poate menţiona faptul că un rol important, în acest sens, îl are modul de tratare a neutru-lui reţelei, pe lângă structura şi schema operativă a acesteia.

Un exemplu edificator este acela al reţelelor având neutrul tratat cu bobină de stingere (reţele compensate) sau neutrul izolat, în care defecte-lor transversale monofazate le corespund curenţi de defect mici, astfel încât reţeaua ar putea funcţiona, în acest regim, o perioadă de timp neli-mitată, cel puţin teoretic. Dacă simpla punere la pământ se produce într-o reţea de medie tensiune, consumatorii nu sunt afectaţi de producerea de-fectului, în reţeaua de joasă tensiune nefiind sesizată nici o modificare a stelei fazorilor tensiunilor.

Totuşi, producerea unei simple puneri la pământ determină creşte-rea nivelului tensiunii de frecvenţă industrială pe fazele sănătoase, până la valoarea tensiunii de linie, fapt ce poate transforma simpla punere la pământ în defect polifazat. Din acest motiv, funcţionarea în regim de simplă punere la pământ nu poate fi acceptat decât pentru intervale rela-tiv mici de timp (două ore în reţelele de medie tensiune compensate).

Faptul că în reţelele având neutrul legat la pământ sau tratat cu re-zistor curentul de scurtcircuit trebuie deconectat rapid conduce la întreru-peri în alimentarea consumatorilor. Din acest motiv, aceste reţele trebuie să aibă structuri constructive şi scheme operative care să compenseze dezavantajul deconectării şi, de asemenea, trebuie echipate cu sisteme de protecţie şi automatizare corespunzătoare, în vederea asigurării unei cali-tăţi corespunzătoare a serviciului de alimentare cu energie electrică.

Cheltuielile de investiţie şi de exploatare reprezintă un alt criteriu de care trebuie să se ţină seama la alegerea modului de tratare a neutrului.

Diferitele moduri de tratare a neutrului reţelelor electrice conduc la cheltuieli de investiţie şi de exploatare diferite. În mod implicit, aceste

Page 42: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

41

cheltuieli sunt, de fapt, dependente de nivelul supratensiunilor şi al cu-renţilor de defect transversal monofazat.

Astfel, în reţelele cu neutrul direct legat la pământ sau tratat cu re-zistor de limitare, intensitatea curentului de scurtcircuit are o valoare ma-re şi nivelul supratensiunilor temporare este mic. În consecinţă, în unităţi relative, sunt necesare fonduri de investiţie mai importante pentru căile de curent, aparatajul de comutaţie şi realizarea unor prize de pământ cu rezistenţe de dispersie mici, decât pentru realizarea izolaţiei. Valoarea mare a curentului de scurtcircuit determină utilizarea unor sisteme de protecţie relativ mai simple, însă necesitatea asigurării continuităţii în alimentare implică cheltuieli suplimentare legate de structura reţelei şi de automatica aferenta acesteia. Evident, toate aceste aspecte trebuie discu-tate, în mod obligatoriu, în strânsă corelaţie cu tipul consumatorilor, cu cerinţele impuse de aceştia relativ la continuitatea în alimentare şi de ni-velul tensiunii nominale a reţelei.

Criteriul compatibilităţii electromagnetice este, de asemenea, unul dintre criteriile care se ia în considerare la adoptarea unui anumit mod de tratare a neutrului reţelelor electrice de distribuţie. Domeniul compatibili-tăţii electromagnetice se referă la toate cazurile de cuplaj, prin impedanţă comună (mod comun) şi inducţie, electrică şi/sau magnetică, la frecvenţă industrială şi pe armonicele superioare, fără a neglija influenţa pe care o au impulsurile de tensiune generate de comutaţiile din reţele şi de lovitu-rile de trăsnet în unele elementele constructive ale acestora /4, 25, 26/.

Conform publicaţiei SR CEI 60050 (161) /27/ este considerată per-turbaţie electromagnetică orice fenomen electromagnetic care poate de-grada performanţa unui dispozitiv, echipament sau sistem tehnic sau a afecta defavorabil materia vie sau inertă. În măsura în care sub acţiunea unei perturbaţii electromagnetice se produce o degradare a funcţionării u-nui dispozitiv, aparat sau sistem, se spune că s-a produs o interferenţă electromagnetică, care, prin definiţie, reprezintă degradarea performanţei unui echipament, unui canal de transmisie sau a unui sistem, cauzată de o perturbaţie electromagnetică /25/. În acest fel, perturbaţia electromagne-tică şi interferenţa se află într-un raport de cauză – efect.

Perturbaţiile electromagnetice pot fi conduse sau radiate. Perturba-ţiile electromagnetice conduse sunt reprezentate de tensiuni perturbatoare

Page 43: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

42

şi curenţi perturbatori care se transmit dispozitivelor, aparatelor şi siste-melor prin conducţie electrică pe liniile (conductoarele) care sunt conec-tate la sursele perturbatoare, inclusiv la bornele de legare la pământ, dacă acestea există. Perturbaţiile electromagnetice radiate sunt reprezentate prin câmpuri electrice, câmpuri magnetice şi câmpuri electromagnetice perturbatoare, care se transmit componentelor şi circuitelor conţinute în aparate sau sisteme, prin carcasele acestora /25/.

Diferenţele esenţiale dintre cele două tipuri de perturbaţii rezidă din următoarele /4/: Câmpurile electrice şi magnetice la frecvenţă industrială sau la armo-nicele corespunzătoare acesteia se manifestă, practic, numai în spaţiul din jurul punctului de origine - element încărcat electrostatic sau con-ductor parcurs de un curent electric. În ambele cazuri, intensitatea câmpului variază invers proporţional cu pătratul distanţei faţă de ele-mentul sursă, excepţie făcând doar o zonă din imediata vecinătate a conductorului, în care intensitatea câmpului variază invers proporţio-nal cu distanţa la puterea a treia. Energia electromagnetică radiată de conductor depinde de accelerarea electronilor. Cu cât frecvenţa este mai mare, cu atât cantitatea de ener-gie radiată din sistemul respectiv este, de asemenea, mai mare. Inten-sitatea câmpului aferent undei radiative variază invers proporţional cu distanţa de propagare, zona de influenţă a unei asemenea unde fiind mult mai mare decât în cazul anterior, al câmpului neradiativ. Într-un câmp neradiativ diferenţa dintre câmpul electric şi cel magne-tic asociat poate fi foarte mare. Astfel, în cazul liniilor de înaltă ten-siune câmpul electric este intens, iar câmpul magnetic asociat este slab, raport care se inversează în cazul liniilor de joasă tensiune; con-sideraţii similare se pot face şi funcţie de modul de tratare a neutrului, care determină o anumită intensitate a curentului de defect transversal monofazat şi un anumit nivel al supratensiunilor. În cazul unei unde radiative, energia din câmpul electric este egală cu aceea din câmpul magnetic.

Pentru a evidenţia nivelul perturbaţiilor pe care îl pot genera su-pratensiunile tranzitorii, în tabelul 7.4 este dat nivelul maxim considerat ca fiind posibil, al acestora, în reţelele tipice de joasă tensiune /4/.

Page 44: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

43

Nivelul maxim considerat ca fiind posibil al supratensiunilor de comutaţie, în reţelele tipice joasă tensiune

Tabelul 7.4 Tensiunea nomi-nală a instalaţiei Nivelul de distribuţie

Tablou principal de distribuţie

Tablou local de distribuţie

Nivelul circuitelor de la consumatori

230/400 kV 6 kV 4 kV 2,5 kV 400/690 kV 8 kV 6 kV 4 kV

Nivelul perturbator al supratensiunilor de trăsnet este cu atât mai

important cu cât tensiunea reţelei este mai mare, fapt ce implică o com-plexitate mai mare a instalaţiilor de protecţie împotriva acestui tip de supratensiuni, odată cu creşterea tensiunii nominale. De exemplu, în pu-blicaţia CEI 947, care face referire la coordonarea izolaţiei instalaţiilor de joasă tensiune şi la modul în care trebuie testate aparatele acestor insta-laţii, sunt prevăzute tensiunile de ţinere la impuls de trăsnet normalizat, 1,2/50 μs. Rezultă, în mod implicit, nivelul supratensiunilor de trăsnet ce se pot propaga în această categorie de reţele, un exemplu referitor la în-trerupătoarele de uz industrial fiind cel dat în tabelul 7.5 /4, 28/.

Tensiuni de ţinere la impuls pentru întrerupătoare de joasă tensiune Tabelul 7.5

Amplitudine impulsului de tensiune de trăsnet Aplicarea impulsului de

tensiune Întrerupătoare Întrerupătoare şi izolatoare

Întrerupătoare, izolatoare şi partea frontală de clasă II

Între faze 9,8 kV 9,8 kV 9,8 kV Pe întrerupătorul deschis 9,8 kV 12,3 kV 12,3 kV

Între faze şi pământ 9,8 kV 9,8 kV 14,7 kV

Page 45: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

44

Aşa cum s-a arătat în § 7.1.2 modul de tratare a neutrului reţelelor are influenţă asupra nivelul maxim al supratensiunilor de comutaţie şi al celor de trăsnet şi, în mod implicit, asupra nivelului perturbaţiilor electro-magnetice radiate.

Nivelul perturbaţiilor electromagnetice conduse al reţelelor de dis-tribuţie a energiei electrice depinde de nivelul supratensiunilor temporare şi de acela al curenţilor de defect. Aşa cum rezultă din § 7.1.2 şi § 7.1.3, reţelele având neutrul izolat sau tratat cu o impedanţă de valoare mare se caracterizează prin supratensiuni temporare mari, însă prin valori mici ale curentului de defect transversal monofazat. În acest fel, câmpul electric neradiativ poate avea un nivel perturbator semnificativ, în timp ce câmpul magnetic asociat este slab. În cazul în care neutrul sursei este legat la pământ, fie direct, fie prin intermediul unui rezistor de limitare a curentului de scurtcircuit monofazat, nivelul supratensiunilor temporare este redus, iar intensitatea curentului de scurtcircuit monofazat este mare. În aceste condiţii, câmpul electric neradiativ are un nivel perturbator re-dus, în timp ce câmpul magnetic asociat este intens, motiv care justifică, odată în plus, necesitatea rapidei deconectări a tronsoanelor de reţea în care s-a produs un scurtcircuit.

În reţelele de distribuţie de joasă tensiune, nivelul perturbaţiilor e-lectromagnetice conduse şi al celor generate de inducţia electromagnetică la frecvenţă industrială depinde şi de existenţa unor trasee ferme de circulaţie a curenţilor între neutrul sursei şi instalaţiile de legare la pământ de protecţie, de la consumatori. În acest fel, compatibilitatea elec-tromagnetică a reţelelor de joasă tensiune este în strânsă legătură şi cu modul de realizare al protecţiei împotriva electrocutării prin atingere in-directă.

Un exemplu edificator, în acest sens, este comparaţia dintre circula-ţia curenţilor în schemele în care nulul reţelei este utilizat în comun (scheme TN-C), în scop de exploatare şi de protecţie, sau separat, aşa cum este în schemele TN-S, cum rezultă din figura 7.19 /4, 26, 29/.

Se poate observa că în cazul utilizării în comun a conductorului de nul apar circulaţii de curenţi care implică carcasele conductoare ale utila-jelor şi echipamentelor, precum şi părţi metalice ale instalaţiilor pentru utilităţi şi armăturile construcţiilor.

Page 46: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

45Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

Figura 7.19 Circulaţia curenţilor de neutru în schemele în care nulul este utilizat separat (TN-S) –a); respectiv în comun (TN-C) - b)

Indiferent de lungimea conductoarelor conectate în punctul neutru,

apar căderi de tensiune, chiar şi în regim normal de funcţionare. Aceasta este cauza apariţiei curenţilor de dezechilibru în circuitele formate din masele echipamentelor, precum şi în părţile intermediare ale construcţiei în care sunt instalate acestea şi în ecranele cablurilor de energie, de tele-comunicaţii şi de transfer de date. În plus, curenţii corespunzători armo-nicei de ordin trei şi multiplilor acesteia se sumează prin conductorul de neutru, putând genera perturbaţii electromagnetice /26, 29/.

Pe lângă nivelul perturbaţiilor electromagnetice, riscul semnificativ de iniţiere a incendiilor face ca schemele TN-C să fie interzise în mediile cu pericol de incendiu sau de explozie, aşa cum sunt clasele BE2, BE3a şi BE3b din standardul francez NFC 15-100 şi din normativul românesc I7. Această interdicţie se justifică astfel: legarea structurilor metalice din construcţii la conductorul de nul utilizat în comun determină circulaţia u-nui curent prin acestea, cu potenţial pericol de producere a unor incendii datorită încălzirii excesive a unor părţi conductoare. Riscul de incendiu creşte, semnificativ, pe durata existenţei defectelor, acesta fiind motivul principal al interzicerii utilizării acestui tip de scheme în medii cu risc de incendiu ridicat /30, 31, 32/.

a)

echipament

echipament

L

buclă

N

I

PE I echipament

echipament

buclă

L PEN

I1 I1

I6

I2

I6

I3

I6

I4

I6

I5

I5

b)

Page 47: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

46

Un alt criteriu, de această dată implicit, în adoptarea modului de tratare a neutrului este acela al impactului la mediu. Aspectele legate de impactul la mediu al reţelelor de transport şi distribuţie nu este depen-dent, în mod direct, de un anumit mod de tratare a neutrului reţelei, ci de nivelul de tensiune al reţelei respective. Astfel, atât impactul direct, de-terminat de câmpurile electromagnetice intense şi de dezafectarea unor suprafeţe de teren, cât şi cel indirect, de ordin estetic, sunt în strânsă dependenţă cu nivelul tensiunii nominale. Cu toate acestea, un anumit mod de tratare a neutrului reţelei poate avea influenţe de ordin ecologic, chiar şi prin nivelul supratensiunilor temporare generate de producerea defectelor transversale.

7.2. Tratarea neutrului reţelelor de medie tensiune

Aşa cum rezultă din datele prezentate în tabelul 7.2, pentru reţelele

de medie tensiune, la nivel mondial, sunt adoptate, practic, toate moduri-le de tratare a neutrului, de la legarea directă la pământ a acestuia şi până la funcţionarea cu neutrul izolat, motiv pentru care, în această secţiune, sunt prezentate aspecte referitoare la toate modurile de tratare a neutrului, chiar dacă în reţelele de distribuţie din România se utilizează doar trata-rea cu bobină de stingere, cu rezistor de limitare şi, mai rar, tratarea mix-tă a neutrului, combinaţie între cele două tehnici enumerate anterior. Oricum, faptul că, la nivel mondial, pentru un anumit nivel de tensiune şi un anumit tip constructiv de linii, se adoptă moduri radical diferite de tra-tare a neutrului, subliniază observaţia că ponderea cu care sunt luate în considerare criteriile prezentate în § 7.1 este mult diferită de la un sistem energetic la altul, probabil şi datorită unor considerente de ordin subiec-tiv, tradiţiei locale, însuşirii unui anumit model etc.

7.2.1. Reţele cu neutrul izolat

Aşa cum rezultă din tabelul 7.2, în ţări precum Germania, Italia, Irlanda şi Japonia, în reţelele publice de medie tensiune neutrul sursei es-

Page 48: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

47

te izolat faţă de pământ, acest tip de reţele făcând parte, din punctul de vedere al nivelului supratensiunilor de frecvenţă industrială, din categoria reţelelor neefectiv legate la pământ (§ 7.1.2).

Admitanţa dintre punctul neutru şi pământ este nulă, curentul prin neutru fiind egal cu zero, indiferent de gradul de nesimetrie al reţelei. Evident, dacă admitanţele fazelor faţă de pământ sunt diferite între ele, şi în punctul neutru va exista o diferenţă de potenţial faţă de pământ.

În regimul normal de funcţionare, suma fazorială a curenţilor pe ce-le trei faze este întotdeauna nulă, indiferent de nesimetria sarcinilor pe faze, chiar şi la curenţii de pornire ai motoarelor electrice sau de conec-tare a transformatoarelor de putere din reţea /1/:

0=++ TSR III (7.32) Tensiunea care apare între punctul neutru al unei reţele cu neutrul

izolat şi pământ este denumită tensiune de nesimetrie /1/. Această ten-siune poate avea, în regim normal, un nivel inadmisibil de mare (de ordi-nul sutelor de volţi), numai în cazul reţelelor cu linii electrice aeriene. În cazul reţelelor de cablu, tensiunea de nesimetrie, în regim normal de funcţionare, nu depăşeşte un nivel de ordinul a 20 ÷ 50 V /1/.

Tensiuni mari de nesimetrie apar, însă, în cazul producerii unor de-fecte nesimetrice longitudinale (ruperi de conductoare, defecte în întreru-pătoare, acţionări monofazate etc.). Astfel, în cazul întreruperii unei faze, tensiunea de nesimetrie devine egală cu jumătate din tensiunea de fază a reţelei (0,5·Uf). În cazul conectării unei singure faze, ca şi în cazul sim-plei puneri la pământ, modulul tensiunii de nesimetrie este egal cu tensi-unea de fază /1/.

Producerea unui defect monofazat modifică doar circulaţia curen-ţilor care se închid prin admitanţele fazelor faţă de pământ, în timp ce curenţii de sarcină rămân neschimbaţi.

Dacă se consideră o schemă echivalentă foarte simplă, atunci, în i-poteza simplificatoare a perfectei simetrii a reţelei, se obţine relaţia de calcul a curentului stabilizat de defect, astfel

l)CjG(U3I 00fdef ⋅+⋅⋅−= ω , (7.33) în care, semnificaţia notaţiilor este următoarea: Uf – valoarea efectivă a tensiunii de fază;

Page 49: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

48

Go – conductanţa specifică corespunzătoare unei faze; Co – capacitatea specifică a unei faze, în raport cu pământul; l – lungimea totală a liniilor reţelei.

Semnul “-” indică sensul de circulaţie al curentului pe faza defectă, în condiţiile în care origine de fază se ia tensiunea electromotoare a fazei cu defect, din relaţia (7.33) rezultând şi directa proporţionalitate dintre mărimea curentului de defect transversal şi dimensiunile reţelei.

Defectul monofazat în reţelele cu neutru izolat nu deranjează con-sumatorii, în mod direct, din următoarele motive: intensitatea curentului de defect este redusă, în comparaţie cu aceea a curentului de sarcină, astfel încât nu se impune deconectarea rapidă a tronsonului de reţea cu defect; se păstrează triunghiul tensiunilor de linie, astfel încât consumatorii trifazaţi pot funcţiona normal; dacă transformatoarele de putere au conexiune de tip triunghi – stea şi simpla punere la pământ se produce pe partea conexiunii în triunghi, atunci pe partea conexiunii în stea (mai ales dacă neutrul stelei este legat la pământ) nu este afectată nici steaua tensiunilor de fază, astfel încât consumatorii monofazaţi nu resimt prezenţa defectului.

Valoarea mică a intensităţii curentului de simplă punere la pământ face ca sensibilitatea protecţiilor maximale de curent homopolar să nu fie suficient de bună pentru a permite o deconectare selectivă. Sunt necesare, astfel, protecţii direcţionale sau sisteme de protecţie mai complexe.

În regim stabilizat de simplă punere la pământ, mărimea supraten-siunilor pe fazele sănătoase este influenţată de parametrii reţelei, prin in-termediul raportului kX = Zh /Zd dintre impedanţele echivalente de sec-venţă homopolară şi directă ale schemei, calculate în raport cu locul defectului, aşa cum s-a arătat în § 7.1.2. În cazul neutrului izolat, impe-danţa schemei de secvenţă homopolară are caracter capacitiv, iar modulul acesteia este relativ mare, depinzând invers proporţional de capacitatea totală faţă de pământ a reţelei. Astfel, supratensiunile temporare datorate simplei puneri la pământ sunt de ordinul a 3 unităţi relative (figura 7.2). În reţelele actuale, este foarte puţin probabilă producerea fenomenului de rezonanţă la frecvenţă industrială, însoţit de creşteri inadmisibil de mari ale tensiunii, aşa cum se poate întâmpla în regim de simplă punere la

Page 50: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

49

pământ, pentru raportul Zh/Zd = -2, sau în regim de dublă punere la pământ, pentru raportul Zh/Zd = -1/2. Astfel de situaţii limită ar putea să apară numai în cazul în care reţele foarte extinse ar fi alimentate de la surse de putere mică. Rezistenţa de defect, ca şi rezistenţele componente-lor schemei contribuie la reducerea factorului de supratensiune.

Regimului tranzitoriu de simplă punere la pământ metalică îi sunt caracteristice supratensiuni maxime de ordinul a 2,5 unităţi relative, va-loarea înregistrată, la un moment dat, depinzând de momentul iniţial al producerii defectului, de parametrii reţelei, de locul apariţiei defectului în reţea etc. Dacă, însă, defectul se produce prin arc electric, iar arderea a-cestuia este instabilă, sunt de aşteptat valori mult mai ridicate ale factoru-lui de supratensiune tranzitorie. Astfel, analizele teoretice, ca şi experi-mentele efectuate în reţele reale, au condus la concluzia că pot să apară supratensiuni tranzitorii de ordinul a 3,5 ÷ 4,5 unităţi relative şi care so-licită inadmisibil de dur izolaţia elementelor reţelei /2, 3/, mai ales în cazul reţelelor de mare extindere. Simulări efectuate pe modele ale unor reţele complexe, în condiţiile unui număr restrâns de ipoteze simplifica-toare, au condus la observaţia că, de fapt, prima reaprindere a arcului electric determină o creştere însemnată a factorului de supratensiune (aşa cum se poate observa şi în figura 7.8.a), reaprinderile ulterioare păstrând, practic, nivelul supratensiunii la o valoare apropiată de aceea generată de prima reaprindere a arcului electric de defect.

Deoarece domeniul de ardere instabilă a arcului electric de con-turnare este cuprins, în majoritatea cazurilor, între 10 A şi 40 A, rezultă că asemenea situaţii sunt posibile în reţelele aeriene de medie tensiune având neutrul izolat şi lungimea cuprinsă între 30 km şi 40 km. Pentru curenţi de defect mai mici, arcul electric de defect se poate autostinge, fără să mai apară reaprinderi. În cazul reţelelor de cablu, datorită valorii mai mari a curentului de defect, arcul electric poate să ardă stabil, dis-trugând, astfel, izolaţia. În aceste condiţii, este foarte probabilă transfor-marea simplei puneri la pământ în defect polifazat, cu toate consecinţele defavorabile care decurg din aceasta.

Fenomenul de reaprindere a arcului electric de defect, căruia îi sunt asociate supratensiuni tranzitorii de valori importante, face ca soluţia teh-nică a izolării punctului neutru să nu fie recomandată în practica reţelelor

Page 51: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

50

de transport şi distribuţie a energiei electrice.

7.2.2. Reţele compensate

Aceste reţele intră în categoria reţelelor cu neutrul neefectiv legat la pământ, la fel ca şi acelea având neutrul izolat. Dezavantajul reaprinderii arcului electric de defect transversal monofazat, specific reţelelor având neutrul izolat, este eliminat prin conectarea, în punctul neutru al reţelei, a unei inductanţe. Mărimea acesteia este astfel aleasă încât să determine stingerea arcului electric de punere la pământ, prin compensarea curen-tului capacitiv al reţelei de către curentul inductiv al bobinei instalate în punctul neutru al acesteia. Tocmai datorită efectului lor asupra arderii arcului electric de defect, aceste echipamente sunt denumite bobine de stingere. După numele celui care a propus primul această soluţie, bobine-le de stingere se regăsesc şi sub denumirea de bobine Petersen.

Ca şi în cazul neutrului izolat, suma fazorială a curenţilor de sar-cină din regimul normal, chiar în condiţiile existenţei unei nesimetrii, este, practic, nulă. Diferenţa de potenţial dintre punctul neutru şi pământ poartă denumirea, în acest caz, de tensiune de deplasare a neutrului.

Datorită prezenţei inductanţei între punctul neutru şi pământ, pe conductorul fazei cu defect, până la locul producerii acestuia, circulă un curent notat cu IBS, în figura 7.20. Acest curent este defazat inductiv faţă de tensiunea punctului neutru (aplicată bobinei de stingere) şi, deci, în opoziţie de fază faţă de curentul de punere la pământ Ipp (dacă se face abstracţie de componentele active).

Dacă compensarea curentului capacitiv al reţelei este perfectă, a-tunci curentul de la locul defectului se reduce la suma componentelor ac-tive, fapt care asigură eliminarea defectelor prin arc electric şi revenirea naturală a reţelei, fără intervenţia personalului de exploatare, la regimul normal de funcţionare.

Curentul inductiv, în ipoteza unui factor de calitate bun al bobinei, este dat de relaţia (7.34), iar curentul capacitiv de punere la pământ poate fi calculat cu o relaţie de forma (7.35) /2, 3/, semnificaţia notaţiilor din a-ceste două relaţii fiind în concordanţă cu figura 7.20.

Page 52: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

51

( ) ⎥

⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡−⋅=

NN

NRBS L

jLRUI

ωω1

2 . (7.34)

( )ooRpp CjGUI ω+⋅⋅−= 3 , (7.35) În relaţiile anterioare, semnificaţia notaţiilor este următoarea:

RN, LN – rezistenţa, respectiv inductanţa bobinei de stingere; C0, G0 – capacitatea, respectiv conductanţa transversală a unei faze a re-ţelei.

~

~

~

C0 Go C0 Go C0 Go

Figura 7.20 Compensarea curentului capacitiv de punere la pământ

Utilizând relaţiile (7.34) şi (7.35), rezultă relaţia de calcul a curen-tului rezidual, de forma

( ) ⎥

⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛−+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+⋅=−=

Noo

N

NRppBSdef L

CjGLRUIII

ωω

ω1332 . (7.36)

Notând componentele active şi reactive ale acestui curent, conform expresiilor:

( ) RoCN

RLo

N

NRa UCI

LUIG

LRUI ω

ωω3,,32 ==

⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡+⋅= ,

rezultă o expresie a curentului rezidual, de forma

RN

UR

US

UT

LN

IBS

Ipp

Page 53: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

52

( )[ ]qjII Cdef −⋅+⋅= 1α , (7.37)

în care s-au făcut notaţiile: α = Ia /IC - factorul de amortizare al reţelei, q = IL/IC - gradul de acordare al bobinei de stingere.

Prin modificarea valorii inductanţei bobinei de stingere, se poate a-junge la situaţia compensării perfecte a curentului capacitiv, q = 1. Cu-rentul rezidual este minim în acest caz şi pur activ, fiind determinat, în principal, de rezistenţa bobinei de stingere. Acordarea perfectă a bobinei este cunoscută şi sub denumirea de acordare la rezonanţă.

Denumirea provine din faptul că această condiţie corespunde stării de rezonanţă într-un circuit RLC paralel, format din inductanţa bobinei de stingere (LN) şi capacitatea echivalentă faţă de pământ a tuturor celor trei faze ale reţelei (3·C0).

Situaţia în care q <1 se numeşte regim de subcompensare, iar aceea pentru care q>1 se numeşte regim de supracompensare.

În ceea ce priveşte nivelul supratensiunilor corespunzătoare regi-mului stabilizat de simplă punere la pământ, aşa cum s-a arătat în § 7.1.2 (figura 7.2), valoarea acestora poate atinge √3 unităţi relative, în regimul de acordare la rezonanţă a bobinei de stingere, însă interesează şi nivelul supratensiunilor tranzitorii generate de producerea defectului şi respectiv eliminarea acestuia. Astfel, regimul tranzitoriu declanşat de producerea unei simple puneri la pământ determină apariţia unor supratensiuni, pe fazele sănătoase, de acelaşi ordin de mărime cu supratensiunile care apar la defect metalic, în reţele cu neutrul izolat (§ 7.1.2). În cazul defectelor prin arc electric, dacă bobina este bine acordată, defectul se elimină la prima trecere prin zero a curentului rezidual, astfel încât tensiunile pe fa-zele sănătoase revin, în mod natural, la valorile din regimul normal.

Regimul tranzitoriu de revenire la normal a tensiunii pe faza defec-tă este, de asemenea, influenţat de gradul de acordare a bobinei de stinge-re. Expresia tensiunii de revenire, pe faza anterior defectă, este dată de relaţia /3/

( )tetUtu ot

mrev ⋅⋅−⋅⋅−= ⋅− ωω δ coscos)( , (7.38)

în care, pulsaţia proprie a circuitului este dată de o relaţie de forma

Page 54: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

53

)3(1

Noo LLC +=ω , (7.39)

unde cu L s-a notat inductanţa longitudinală totală a unei faze a reţelei. Deoarece în situaţiile reale de exploatare este valabilă inegalitatea

L<<LN, rezultă că expresiile pulsaţiei de regim liber şi a factorului de a-mortizare pot fi scrie şi sub forma:

ooo CGq 2/, =⋅= δωω . (7.40)

În cazul acordării perfecte a bobinei de stingere (q=1), tensiunea revine la valoarea de serviciu cu atât mai lent cu cât factorul de amorti-zare, δ, este mai mic, fără apariţie de supratensiuni, aşa cum se poate ob-serva din figura 7.21 /3/.

Figura 7.21 Revenirea tensiunii în cazul acordării la rezonanţă

a bobinei de stingere Dacă, însă, bobina este dezacordată, indiferent dacă în sensul su-

pracompensării sau al subcompensării, regimul de revenire este însoţit de supratensiuni, atât pe fazele sănătoase, cât şi pe aceea cu defect. Pentru a exemplifica ultima afirmaţie, în figura 7.22 sunt reprezentate formele de variaţie în timp ale tensiunilor celor trei faze ale unei reţele de medie ten-

-1

0,20,4

0,60,8

0 0,01 0,02 0,03 0,04 0,05 0,06 0,07 0,08 0,09 0,1

-0,8-0,6

-0,4-0,2

t [s]

urev/Um [u.r] componenta liberă componenta forţată tensiune de revenire

1

0

Page 55: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

54

siune, după stingerea arcului electric de defect, în condiţiile în care bo-bina de stingere a reţelei este reglată în sensul unei supracompensări de 20 %. Poate fi observat regimul de simplă punere la pământ, în care ten-siunile fazelor sănătoase sunt egale cu tensiunea de linie a reţelei. După stingerea arcului electric de defect (la momentul t = 50 ms), cel puţin ten-siunile fazelor R şi S iau valori superioare tensiunii de linie, iar regimul este lent amortizat.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

-30

-20

-10

0

10

20

30

t [ms]

u [kV] R S T

Figura 7.22 Revenirea tensiunilor în cazul unei supracompensări de 20 %

În reţelele compensate, supratensiunile sunt mult mai reduse, ca du-rată şi amplitudine, în raport cu cazul neutrului izolat, cu atât mai mult cu cât bobina este acordată mai aproape de rezonanţă.

Pe lângă avantajele anterior evidenţiate, ale tratării neutrului cu bo-bină de stingere, trebuie subliniat şi nivelul redus al tensiunilor de atin-gere şi de pas din vecinătatea prizelor de pământ ale reţelei, rezultat al valorii mici a intensităţii curentului de simplă punere la pământ. Astfel, riscul de electrocutare prin atingere indirectă este redus, chiar în condiţii-le în care nu se acordă o atenţie specială realizării prizelor de pământ ale stâlpilor, acestea putând fi prize naturale. În mod implicit, acest avantaj determină şi reducerea cheltuielilor legate de realizarea şi exploatarea u-nor prize de pământ cu rezistenţe de dispersie de valoare scăzută.

Page 56: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

55

Tensiunea de deplasare a neutrului (UN), în regimul normal de funcţionare a reţelei compensate, se poate calcula cu o expresie a cărei formă generală este /3/

NTSR

TTSSRRN YYYY

YUYUYUU+++++

= . (7.41)

Aşa cum s-a arătat în § 7.1.2, dacă sistemul trifazat de tensiuni este echilibrat, iar admitanţele celor trei faze ale reţelei sunt egale

)( ooTSR CjGYYY ω+=== ,

atunci tensiunea de deplasare a neutrului este nulă. În realitate, însă, chiar dacă sistemul trifazat de tensiuni poate fi considerat echilibrat, admitan-ţele transversale ale reţelei nu sunt egale, mai ales datorită deosebirilor care apar între mărimile capacităţilor C0, ale celor trei faze. Astfel, în ca-zul particular în care considerăm capacităţile a două faze egale, iar capa-citatea faţă de pământ a celei de a treia faze afectată de un coeficient m, utilizând notaţiile din figura 7.20, se obţine relaţia

( ) ( ) ( )( ) ( ) ( )

NN

f

N

LjRCjGCjGmCjG

CjGaCjGamCjGUU

ωωωω

ωωω

+++++++

+⋅++⋅++= 1

000000

00002

00 , (7.42)

din care rezultă (dacă se neglijează pătratul rezistenţei bobinei de stingere în raport cu pătratul reactanţei inductive a acesteia) /3/

( )0

20

0

31

2

1

CjLRG

CLm

mUU

N

N

N

f

N

ωω

ωω

+

+−+

−= . (7.43)

Dacă se utilizează notaţiile din relaţia (7.37), atunci modulul tensi-unii de deplasare a neutrului, în unităţi relative (obţinute prin raportare la valoarea efectivă a tensiunii de fază – Uf), se calculează cu relaţia

( ) ( )22 323

1

qm

mUU

f

N

−++

−=

α. (7.44)

De fapt, tensiunea de deplasare a neutrului este o mărime comple-xă, care poate fi caracterizată prin modul şi fază, ale căror valori depind

Page 57: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

56

de gradul de dezechilibru al admitanţelor fază-pământ, dar şi de gradul de acordare al bobinei de stingere.

Tensiunea de deplasare a neutrului poate atinge valori destul de mari, inacceptabile în exploatarea reţelelor aeriene. O primă consecinţă a creşterii tensiunii de deplasare a neutrului este modificarea tensiunilor fa-ză-pământ, pe unele faze acestea devenind prea mari pentru a putea fi su-portate de către izolaţie, în regim de lungă durată.

O altă consecinţă se concretizează prin semnalizări false ale produ-cerii defectelor monofazate, care, în cazul unei rezistenţe de defect sufici-ent de mari, produc o tensiune homopolară la fel de mare ca şi aceea da-torată acordării perfecte a bobinei de stingere.

Mai poate fi menţionată şi o consecinţă din domeniul compatibilită-ţii electromagnetice, tensiunile mari de deplasare a neutrului fiind gene-ratoare de perturbaţii electromagnetice, valoarea importantă a tensiunii homopolare, în regim permanent, determinând circulaţia unui curent ho-mopolar intens şi, deci, perturbaţii electromagnetice conduse importante.

Toate observaţiile anterioare recomandă reglarea la supracompen-sare a bobinelor de stingere, astfel încât să se menţină tensiunea de depla-sare la valori acceptabile. Această recomandare este aplicabilă numai re-ţelelor aeriene sau predominant aeriene.

Realizarea unei sensibilităţi şi a unei selectivităţi corespunzătoare a sistemelor de protecţie din reţelele compensate reprezintă una dintre cele mai complicate probleme ale tehnicii protecţiei prin relee. Necesitatea u-tilizării unor soluţii tehnice complexe conduce la creşterea ponderii cos-tului de investiţie al sistemelor de protecţie, în costul total al reţelei, pre-cum şi a cheltuielilor de exploatare şi întreţinere a acestora.

Cele mai utilizate categorii de sisteme de protecţie pentru detecta-rea selectivă a simplelor puneri la pământ, în reţele compensate sunt /33/: supravegherea tensiunii homopolare cu relee maximale de tensiune; protecţia maximală de curent homopolar wattmetric; criteriul curentu-lui homopolar de valoare maximă nu este valabil pentru detectarea li-niei defecte deoarece acesta circulă prin linia cu cea mai mare capaci-tate faţă de pământ şi nu prin linia cu defect; în aceste condiţii, varia-bila decisivă pentru identificarea liniei cu defect este componenta ac-tivă a curentului homopolar, deoarece la locul cu defect trece suma cu-

Page 58: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

57

renţilor rezistivi din sistemul de secvenţă homopolară, tot prin această zonă trecând şi curentul homopolar datorat sub / supracompensării; protecţia homopolară direcţională; prin determinarea sensului puterii active, utilizând relee wattmetrice, se îmbunătăţeşte selectivitatea pro-tecţiei, mai ales în reţele complexe; supravegherea cu sisteme instruibile; determinarea variaţiei curentului homopolar prin:

- modificarea reglajului bobinei - se modifică doar curentul homopo-lar pe plecarea cu defect; - cuplarea şi decuplarea unui condensator pe înfăşurarea auxiliară a bobinei de stingere - detecţie prin impulsuri; - utilizarea de relee de regim tranzitoriu – acestea evaluează sensul puterii active de secvenţă homopolară, în primele milisecunde ale re-gimului tranzitoriu de simplă punere la pământ; - protecţia maximală de curent homopolar bazată pe analiza armoni-celor superioare - detecţia armonicei a cincea.

Pe lângă aceste sisteme, sunt funcţionale protecţii speciale pentru defecte înalt rezistive şi indicatoare de trecere a curentului de defect /24/.

Pentru aplicarea soluţiilor moderne de sisteme de protecţie, dar şi pentru acordarea on-line a bobinelor de stingere la gradul de compensare optim, este necesară instalarea unor sisteme automate pentru acordarea bobinelor de stingere /2, 3, 24/.

Bobinele de stingere au o bună eficienţă în reţelele în care compo-nenta activă a curentului de defect monofazat este relativ mică, iar izola-ţia este autoregeneratoare. Valoarea ridicată a supratensiunii temporare maxime la defect monofazat face ca acest mod de tratare a neutrului să fie aplicabil doar în reţelele în care rezerva de izolaţie este suficient de importantă.

Posibilitatea funcţionării reţelei în regim de simplă punere la pă-mânt un anumit interval de timp, precum şi nivelul redus al tensiunilor accidentale de atingere şi de pas, conduc la ideea utilizării acestui mod de tratare a neutrului în reţelele apropiate de consumatori şi care, implicit, sunt realizate în zone populate.

Considerentele prezentate anterior, la care se adaugă aspecte legate de siguranţa în funcţionare şi continuitatea în alimentarea consumatorilor,

Page 59: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

58

conduc la ideea utilizării sistemului de tratare a neutrului cu bobină de stingere în reţelele de medie tensiune realizate cu linii aeriene sau pre-ponderent aeriene, în condiţiile utilizării unor sisteme eficiente de acor-dare a bobinelor de compensare.

Un exemplu de schemă a unei bobine de stingere şi de amplasare a acesteia în instalaţiile de medie tensiune ale unei staţii de transformare este dat în figura 7.23 /34, 35/.

40%

Neutru

40% 20%

-10%-5%

Com

pens

are

cure

nt re

zidu

al

Rez

isto

r de

trata

re n

eutru

Aco

rdar

e fi

Figura 7.23 Schema electrică a unei bobine de stingere /34, 35/

7.2.3. Reţele având neutrul tratat prin impedanţă limitatoare

Acest mod de tratare a neutrului reţelelor electrice este folosit pen-tru obţinerea unei bune selectivităţi în acţionarea protecţiilor, la defect transversal monofazat. Se adoptă această soluţia în reţelele în care bobina de stingere nu dă rezultate satisfăcătoare. Adesea, această soluţie de tra-tare a neutrului îndeplineşte majoritatea cerinţelor impuse de operatorul reţelei /7/. Pentru reţelele de distribuţie din România, soluţia tratării neu-trului cu rezistor de valoare redusă este prevăzută de normative, ca fiind acceptabilă, pentru cazul reţelelor aeriene, mixte sau de cablu în care cu-rentul capacitiv de punere la pământ al reţelei este mai mare de 10 A /17/.

Page 60: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

59

În cazul reţelelor de cablu sau mixte, în care lungimea tronsoanelor de cablu este preponderentă, dacă curentul capacitiv de punere la pământ es-te mai mare de 10 A, soluţia tratării neutrului prin rezistor de valoare redusă este obligatorie /17/.

Este necesară limitarea intensităţii curentului de scurtcircuit mono-fazat, aşa cum s-a arătat în § 7.1.3, atât pentru reducerea solicitării ter-mice şi electrodinamice a căilor de curent, parcurse de curentul de defect, cât şi pentru reducerea potenţialelor pe prizele de pământ ale stâlpilor, staţiilor şi posturilor de transformare. Totuşi, instalarea impedanţei limi-tatoare nu trebuie redusă excesiv intensitatea curentului de defect, deoa-rece aceasta ar complica sistemele de protecţie instalate în reţea.

Valoarea maximă a curentului de scurtcircuit monofazat, în reţelele având neutrul tratat cu impedanţă de valoare redusă, rezultă ca un optim între cele două tendinţe contrare. Valorile adoptate pentru intensitatea maximă admisibilă a curentului de scurtcircuit monofazat depind de tipul constructiv al liniilor reţelei, astfel /3, 17/: 300 A - pentru reţelele electrice aeriene, precum şi pentru reţele mixte cu o valoare a curentului capacitiv de punere la pământ mai mică de 150 A; 600 A - pentru reţelele electrice subterane, precum şi pentru reţele mixte cu o valoare a curentului capacitiv de punere la pământ mai mare sau egală cu 150 A; 1000 A - pentru reţelele electrice subterane realizate din cabluri, a-tunci când este asigurată stabilitatea termică a căii de întoarcere a cu-rentului de scurtcircuit monofazat (cabluri cu manta din plumb, ca-bluri A2YSY însoţite de un conductor de compensare sau cabluri cu ecrane stabile termic la minimum 1000 A, pentru o durată de circulaţie a curentului de minimum o secundă).

Dacă se utilizează relaţia de calcul a curentului stabilizat de defect monofazat (conform notaţiilor din figura 7.20):

foNN

fFNk UCj

jXRU

I ⋅⋅++

= 3ω (7.45)

rezultă valoarea impedanţei care trebuie instalată în punctul neutru al u-nei anumite reţele, caracterizate prin capacitatea totală a unei faze Co, ast-fel încât să se obţină intensitatea corespunzătoare a curentului de defect, fără însă ca mărimea reţelei să aibă o influenţă importantă asupra dimen-

Page 61: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

60

sionării impedanţei de tratare a neutrului /3/. În acest mod, mărimea impedanţei de limitare rezultă semnificativ mai mică decât aceea a unei bobine de stingere, motiv pentru care s-a adoptat şi termenul de tratare prin impedanţă redusă. Deşi, în principiu, impedanţa redusă se poate rea-liza utilizând un rezistor sau un inductor, cea mai mare răspândire o are utilizarea rezistorului /3, 6, 7/.

Pentru dimensionarea rezistenţei rezistorului de tratare a neutrului se consideră un scurtcircuit metalic net, produs în staţia în care este ins-talat rezistorul, şi nu se ia în considerare curentul capacitiv de punere la pământ al reţelei electrice conectate la barele de medie tensiune ale staţiei de transformare respective /17/. Astfel, dacă se utilizează metoda compo-nentelor simetrice pentru calculul intensităţii curentului de scurtcircuit, în ipotezele anterior menţionate, se obţine o relaţie de forma

hd kkN

fFNk ZZR

UI

+⋅+⋅⋅

=233

, (7.46)

în care notaţiile au următoarea semnificaţie: RN – rezistenţa rezistorului de tratare a neutrului;

dkZ - impedanţa echivalentă de secvenţă directă, calculată în raport cu lo-cul nesimetriei şi considerată ca fiind egală cu impedanţa de secvenţă in-versă,

ikZ , datorită adoptării ipotezei unei puteri mari a sursei;

hkZ - impedanţa echivalentă de secvenţă homopolară. În conformitate cu Normativul privind alegerea izolaţiei, coordona-

rea izolaţiei şi protecţia instalaţiilor electroenergetice împotriva supraten-siunilor - indicativ NTE 001/03, în tabelul 7.6 sunt prezentate, cu titlu orientativ, valorile rezistenţelor rezistoarelor de tratare a neutrului, în funcţie de intensităţile curenţilor de scurtcircuit monofazat specificate an-terior /17/.

Valorile care rezultă pentru impedanţa elementului de tratare a neu-trului sunt de ordinul unităţilor de Ω, astfel încât raportul dintre impe-danţele de secvenţă homopolară şi directă să fie mai mare decât 3, rezul-tând, astfel, un factor de legare la pământ kp >1,4 (§ 7.1.2). În aceste condiţii, reţelele având neutrul tratat cu impedanţă de valoare redusă in-

Page 62: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

61

tră în categoria reţelelor neefectiv legate la pământ, ca şi reţelele având neutrul tratat cu bobină de stingere.

Valori orientative ale rezistenţelor rezistoarelor de tratare a neutrului

reţelelor electrice de medie tensiune Tabelul 7.6

6 kV 10 kV 15 kV 20 kV Tensiunea nominală a reţelei electrice Curentul de scurtcircuit monofazat

Rezistenţa rezistorului de tratare a neutrului [Ω]

1000 A 3,4 5,8 8,7 11,6 600 A 5,8 9,7 14,4 19,3 300 A 11,6 19,3 28,8 38,5

Faptul că acest mod de tratare a neutrului situează reţeaua în cate-

goria reţelelor neefectiv legate la pământ nu este acceptabil pentru reţele-le de înaltă tensiune, unde rezerva de izolaţie nu este foarte mare, dar nici în reţelele de joasă tensiune, unde ar creşte pericolul de electrocutare, astfel că soluţia de tratare a neutrului cu impedanţă redusă este folosită, în exclusivitate, în reţelele de medie tensiune.

În ordinea preferenţială, există următoarele soluţii de conectare în reţea a rezistoarelor de tratare a neutrului /17/, în conformitate cu repre-zentare grafică din figura 7.24: la neutrul transformatorului de putere, atunci când înfăşurarea de me-die tensiune are conexiunea stea şi neutrul accesibil (figura 7.24.a); la neutrul transformatorului de neutru artificial (TNA), montat direct la bornele transformatorului de putere (figura 7.24.b); la neutrul transformatorului serviciilor proprii (TSP) (figura 7.24.c).

Aşa cum rezultă din cele prezentate anterior, soluţia tehnică a tra-tării neutrului prin rezistor de limitare este propice pentru reţelele de me-die tensiune cu linii de cablu, unde bobina de stingere nu este la fel de eficientă ca şi în reţelele cu linii electrice aeriene. În plus, această opţiune este justificată şi de faptul că instalarea unor rezistoare de limitare în reţelele aeriene de medie tensiune implică reducerea valorilor rezisten-ţelor de dispersie ale tuturor prizelor de pământ, inclusiv ale stâlpilor, fapt care conduce la costuri de investiţie importante. Cu toate acestea, se

Page 63: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

62

poate adopta tratarea neutrului prin rezistor de limitare şi în cazul reţe-lelor mixte sau chiar şi în cazul reţelelor aeriene, dacă curentul capacitiv de punere la pământ este mai mare de 10 A /17/. Figura 7.24 Soluţii de legare la neutrul reţelelor electrice de medie tensiune a

rezistorului de limitare, RN

Pentru creşterea calităţii serviciului de alimentare a consumatorilor

racordaţi la reţelele electrice aeriene sau mixte cu neutrul tratat prin rezistor şi a siguranţei în funcţionare a acestor reţele, se poate adopta sis-temul de automatizare “întreruptor şunt”, care asigură eliminarea defec-telor monofazate pasagere, fără deconectarea consumatorilor.

Principiul soluţiei constă în şuntarea, fără temporizare, pentru un in-terval scurt de timp, Δt, a defectului monofazat, prin închiderea polului fazei cu defect a întrerupătorului de şuntare. În cazul în care defectul este pasager (conturnarea unui izolator), prin şuntarea fazei cu defect, în apro-pierea sursei, tensiunea în aval de acest punct scade, la valori apropiate de zero, iar arcul electric de defect se stinge. Astfel, funcţionarea reţelei revine la normal, după deschiderea acestui pol al întreruptorului de şun-tare. Dacă după intervalul de timp Δt defectul nu este eliminat, atunci el

a)

IT MTTNA

RN

TIT/MT

IT MT

RN

TIT/MT

RN

MT

JT b) c)

TSP

Page 64: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

63

este un defect permanent, care va fi selectat şi declanşat rapid, prin func-ţionarea protecţiilor şi automatizărilor convenţionale, specifice reţelelor e-lectrice cu neutrul tratat prin rezistor de limitare. Schema de principiu a funcţionării sistemului cu întreruptor de şun-tare este prezentată în figura 7.25, în care cu RN s-a notat rezistorul de tratare a neutrului, cu IL întrerupătorul de linie, cu Rdef rezistenţa defec-tului, cu irez curentul rezidual care circulă prin aceasta, după închiderea polului P1 al întreruptorului de şuntare, instalat pe barele de medie tensi-une ale staţiei de transformare, cu ik intensitatea curentului de scurtcircuit monofazat prin întreruptorul de şuntare, cu is curentul de sarcină şi cu iN curentul prin neutrul reţelei.

P1

T

R

S

P2 P3 ikiN

Figura 7.25 Schema de principiu a sistemului „întreruptor de şuntare” Un exemplu de simulare a secvenţei de producere a unui defect monofazat pasager, pe una dintre liniile unei reţele aeriene extinse de me-die tensiune având neutrul tratat prin rezistor de limitare, urmată de în-chiderea polului fazei cu defect a întreruptorului de şuntare şi de deschi-derea acestuia este redat în figura 7.26. În reprezentarea grafică din a-ceastă figură nu au fost respectate intervalele exacte de timp ale secven-ţei reale, pentru a putea evidenţia evoluţia procesului. Astfel, intervalul de timp până la închiderea polului fazei cu defect a întreruptorului de şuntare a fost lăsat cu puţin mai mare, iar deconectarea a fost considerată mai rapidă decât în situaţiile reale.

Întreruptor şuntare RN

is

IL

irez

Rdef

is

MT

Stâlp

IT

TNA Arc electric

Page 65: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

64

-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2

t [s]

i [A]

roducere defect

închidere întreruptor şuntare

deschidere întreruptor şuntare

p Figura 7.26 Evoluţia în timp a curentului în cazul unei secvenţe de eliminare a defectelor pasagere în reţele aeriene având neutrul tratat prin rezistor, prin

intermediul întreruptorului de şuntare

7.2.4. Tratarea mixtă a neutrului

Acest mod de tratare a neutrului este specific reţelelor de distribuţie de medie tensiune şi combină avantajele tratării cu bobină de stingere cu acelea ale tratării neutrului prin rezistor de limitare. Astfel, reţeaua ră-mâne în categoria reţelelor neefectiv legate la pământ.

Din punct de vedere operativ, modul combinat de tratare a neutru-lui presupune funcţionarea normală a reţelei, în regim de uşoară supra-compensare, astfel încât defectele pasagere să poată fi eliminate prin ac-ţiunea bobinei de stingere. Dacă acest lucru nu se întâmplă într-un inter-val de 0,5 ÷ 0,7 secunde, atunci se conectează, în mod automat, rezistorul de limitare, în paralel cu bobina de stingere /24, 34/, transformându-se, astfel, simpla punere la pământ în scurtcircuit monofazat, tronsonul de reţea cu defect fiind deconectat, rapid şi selectiv, de către protecţiile spe-cifice sistemului de tratare a neutrului cu rezistor de limitare.

Din punct de vedere constructiv, reţeaua trebuie să satisfacă, în ma-re măsură, cerinţele specifice ambelor moduri de tratare a neutrului.

Eficienţa tratării combinate este mult mai evidentă în reţelele mixte

Page 66: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

65

decât în reţelele pur aeriene sau subterane /24, 34, 36/. Variaţia în timp a curentului de defect, datorat unei simple puneri la

pământ iniţiale, urmată de o secvenţă de operare specifică tratării combi-nate a neutrului reţelelor mixte, este dată în figura 7.27.

Figura 7.27 Variaţia în timp a curentului de defect în cazul unei secvenţe de tratare combinată a neutrului unei reţele mixte de medie tensiune În figura 7.27, poate fi observată următoarea secvenţă de regimuri

tranzitorii electromagnetice: producerea simplei puneri la pământ, în reţeaua având neutrul tratat cu bobină de stingere, regim caracterizat printr-o rapidă amortizare a os-cilaţiilor de înaltă frecvenţă ale curentului de simplă punere la pământ; regimul stabilizat de simplă punere la pământ, caracterizat printr-o in-tensitate foarte mică a curentului de defect (curentul rezidual); regimul tranzitoriu determinat de conectarea rezistorului de tratare a neutrului, caracterizat printr-o amortizare rapidă a componentei aperi-odice a curentului de scurtcircuit monofazat, specifică reţelelor de me-die tensiune, care au un raport mic între reactanţă şi rezistenţă; regimul stabilizat de scurtcircuit monofazat, a cărui durată de existen-ţă depinde de caracteristicile protecţiilor şi ale întrerupătoarelor; deconectarea liniei cu defect.

20 40 60 80 500 520 540 560 580 600 -800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800 i [A]

t [ms]

Page 67: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

66

7.2.5. Reţele cu neutrul legat la pământ

Aşa cum rezultă din tabelul 7.2, în ţări precum Anglia şi SUA, ne-

utrul reţelelor de medie tensiune este tratat cu impedanţă limitatoare, dar poate funcţiona şi direct legat la pământ, iar în ţări precum Australia, neutrul reţelelor de medie tensiune este legat direct la pământ.

În cazul legării la pământ a punctelor neutre, curentul de defect mo-nofazat se obţine prin suprapunerea curentului capacitiv al reţelei şi a cu-rentului de scurtcircuit monofazat. A doua componentă este predominan-tă, mai ales în cazul defectelor caracterizate prin rezistenţă redusă, astfel încât contribuţia curentului capacitiv este, practic, neglijabilă /3/.

În ipoteza în care toate punctele neutre sunt legate la pământ, atunci este satisfăcută condiţia Xkh = Xkd, rezultând, astfel, egalitate între intensi-tăţile curenţilor de scurtcircuit monofazat şi trifazat (§ 7.1.3 şi figura 7.9) şi nu se înregistrează, practic, supratensiuni (§ 7.1.2). Dacă nivelul foarte redus al supratensiunilor interne este un element favorabil în funcţionarea unei reţele electrice, egalitatea dintre cei doi curenţi de scurtcircuit nu poate fi acceptată, datorită solicitărilor termice, electrodinamice şi me-canice dure pe care le suportă întrerupătoarele, precum şi datorită nivelu-lui tensiunilor de atingere şi de pas, ce poate depăşi limite periculoase, în condiţiile unor frecvenţe relativ mare de apariţie, chiar dacă durata de e-xistenţă este limitată de funcţionarea rapidă a protecţiilor de curent.

Condiţia Xkh = Xkd se poate atinge numai în cazul unei reţele dense, cu linii relativ scurte şi cu multe staţii de transformare, în care toate punctele neutre ale transformatoarelor sunt legate direct la pământ. Redu-cerea intensităţii curentului de defect monofazat se poate obţine prin izo-larea unora dintre punctele neutre ale transformatoarelor, reţeaua, în an-samblul ei, rămânând în categoria reţelelor efectiv legate la pământ.

Deoarece defectele transversale monofazate implică circulaţia unui curent de scurtcircuit, tronsoanele de reţea cu defect sunt rapid şi selectiv deconectate de către sistemele de protecţie ale reţelei. Continuitatea în alimentarea consumatorilor este asigurată atât prin adoptarea unor struc-turi şi a unor scheme operative adecvate ale reţelelor, cât şi prin utilizarea sistemelor automate de reconectare rapidă.

Page 68: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

67

Prizele de pământ ale stâlpilor trebuie să aibă rezistenţe de disper-sie mici şi să fie stabile în timp, nu numai din considerente de electrose-curitate, ci şi pentru reducerea nivelului supratensiunilor şi a numărului de deconectări ale liniilor datorită lovirii stâlpilor de către descărcările de trăsnet. În aceste condiţii, este, practic, exclusă realizarea de prize de pă-mânt naturale.

7.3. Tratarea neutrului reţelelor de joasă tensiune

În majoritatea instalaţiilor de distribuţie de joasă tensiune, se utili-zează două niveluri de tensiune /4/, chiar dacă al doilea nivel reprezintă, de fapt, tensiunile de fază corespunzătoare primului nivel, astfel: 380 V, 400 V, 415 V şi, în mod excepţional, 480 V – tensiuni în cir-cuite trifazate destinate alimentării consumatorilor de putere; 220 V, 230 V, 240 V şi, în mod excepţional, 277 V – tensiuni de fază corespunzătoare tensiunilor de linie din prima categorie, pentru circu-ite destinate alimentării instalaţiilor de iluminat şi consumatorilor de mică putere.

În instalaţiile de joasă tensiune se poate obţine un grad înalt de con-tinuitate în alimentarea consumatorilor prin diverse metode, precum /4/: divizarea instalaţiilor, acestea urmând a fi prevăzute cu mai multe sur-se de alimentare, de exemplu:

- o conexiune de serviciu, în inelul principal; - alimentare de siguranţă locală, automată, destinată serviciilor e-

senţiale; - subdivizarea circuitelor;

alegerea adecvată a sistemului de tratare a neutrului sursei şi de conec-tare la pământ a carcaselor conductoare ale echipamentelor şi utilaje-lor, precum şi a altor părţi conductoare ce pot intra accidental sub ten-siune; utilizarea unor sistem de protecţie care să asigure selectivitatea.

Aşa cum rezultă din cele prezentate anterior, adoptarea unui anumit mod de tratare a neutrului influenţează continuitatea în alimentarea con-sumatorilor şi, aşa cum rezultă din § 7.1, nivelul riscului de electrocutare.

Page 69: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

68

În cazul instalaţiilor de distribuţie de joasă tensiune, tratarea neu-trului sursei se analizează simultan cu modul de legare la pământ a păr-ţilor conductoare ce pot intra, accidental, sub tensiune, în cadrul aşa-nu-mitelor scheme de legare la pământ sau scheme de protecţie.

Schemele de legare la pământ sunt notate cu simboluri convenţio-nale literale, formate din două litere, prima literă indicând situaţia punc-tului neutru al sursei, în raport cu pământul, iar a doua literă situaţia ma-selor conductoare ale echipamentelor electrice.

Există trei categorii principale de astfel de scheme de protecţie: TT, TN, IT, litera T provenind, prin convenţie internaţională, de la cuvântul francez terre, litera N de la cuvântul neutru sau nul (neutral), iar litera I de la cuvântul izolat (insulated) /6, 8, 37, 38, 39/.

Schemele de tip TT sunt acele scheme în care cel puţin un punct al părţilor active ale sursei de tensiune este legat direct sau printr-o rezis-tenţă de valoare mică la o priză de pământ, iar toate părţile intermediare sau masele echipamentelor electrice sunt legate la prize de pământ sepa-rate, ale instalaţiei. Masele sunt legate la prize de pământ distincte din punct de vedere electric de priza de pământ a sursei de alimentare, aşa cum se poate observa şi din figura 7.28.

L1 L2 L3 N

PE

MT/JT

Figura 7.28 Schema TT

Aşa cum rezultă din § 7.1.4, acest tip de reţele prezintă risc de elec-trocutare la atingere directă, omul fiind supus tensiunii de fază a reţelei. Legarea la pământ a părţilor intermediare şi a maselor echipamentelor are rol de protecţie împotriva atingerilor indirecte. Chiar în prezenţa acestor legături la instalaţia de legare la pământ de protecţie, tensiunile de atin-

Page 70: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

69

gere nu depind de valorile absolute ale rezistenţelor instalaţiilor de legare la pământ de protecţie şi de exploatare, ci de raportul acestora. Acest fapt reprezintă un dezavantaj important al protecţiei prin legare la pământ, aplicate în reţelele având neutrul legat la pământ. Astfel, în reţelele TT nu este posibil să se obţină valori ale tensiunilor accidentale mai mici de-cât limita maximă admisibilă, în întreaga reţea, numai prin realizarea pro-tecţiei prin legare la pământ /18, 19, 40/.

Pe de altă parte, nivelul redus al supratensiunilor, datorat legării la pământ a punctului neutru al sursei (§ 7.1.2), precum şi limitarea inten-sităţii curentului de defect de către rezistenţa solului, face ca riscul de electrocutare să scadă. În acelaşi timp, în cazul reţelelor având neutrul legat la pământ pot fi micşorate valorile tensiunilor accidentale dacă se realizează o legătură galvanică fermă, prin intermediul unui conductor de rezistenţă mică, între priza de legare la pământ de exploatare şi priza de legare la pământ de protecţie. În acest fel, se transformă protecţia prin legare la pământ în protecţie prin legare la nulul de protecţie, reţeaua de-venind una de tip TN.

Schemele de tip TN sunt acele scheme în care cel puţin punctul neutru al sursei de tensiune este legat la o priză de pământ, iar masele echipamentelor electrice şi părţile intermediare sunt legate la conductorul de nul. În cazul acestui tip de scheme de protecţie, există două variante, care provin din modurile diferite de utilizare a conductorului de nul – pentru protecţie şi în scop de exploatare (lucru). Rezultă, astfel, scheme de tip TN-C, în care conexiunea dintre carcasele echipamentelor şi con-ductorul de nul este utilizată în comun (PEN), atât pentru protecţie cât şi pentru lucru, şi scheme de tip TN-S, în care se utilizează conductoare diferite pentru conectarea carcaselor echipamentelor la conductorul de nul (PE), respectiv pentru nulul de lucru (N). Aceste tipuri de scheme sunt reprezentate în figurile 7.29.a, respectiv 7.29.b.

În cazul schemelor de tip TN-C, conductorul de protecţie utilizat în comun (PEN) nu trebuie să fie întrerupt de dispozitive de comandă sau de secţionare şi nu trebuie să fie comun mai multor circuite. De aseme-nea, acest tip de scheme nu sunt permise pentru alimentarea echipamen-telor portabile sau atunci când secţiunea conductoarelor este mai mică de 10 mm2 /4, 18, 26/.

Page 71: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

70

Figura 7.29 Scheme TN-C (a) şi TN-S (b)

În cablajul interior al unui utilaj electric aflat într-o schemă de pro-tecţie de tip TN-S, conductorul de nul nu trebuie să fie utilizat ca şi con-ductor de protecţie. Schemele de tip TN-S sunt obligatorii pentru circui-tele având conductoare din cupru cu secţiuni mai mici de 10 mm2 sau conductoare din aluminiu cu secţiuni mai mici de 16 mm2, precum şi în cazul alimentării echipamentelor mobile /4, 8/.

Într-o anumită reţea electrică de distribuţie pot exista atât scheme de tip TN-C, cât şi scheme de tip TN-S, în comun, singura condiţie care trebuie respectată fiind aceea că schemele de tip TN-C trebuie să fie situ-ate, întotdeauna, în amonte faţă de schemele de tip TN-S. Rezultă aşa-nu-mitele scheme de tip TN-C-S, reprezentate în figura 7.30.

Figura 7.30 Schemă de tip TN-C-S

MT/JT L1

L2

L3 N

Schemă TN-C

PEN PE

I >

PEN N

Schemă TN-S

PE

L1 L2 L3 N

PE

L1 L2 L3

PEN

a) b)

MT/JT MT/JT

Page 72: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

71

Utilizarea unui conductor de nul în scop de protecţie conduce la realizarea unei legături la pământ de rezistenţă foarte mică, astfel încât producerea unor defecte implică circulaţia unor curenţi intenşi, suficient de mari încât să determine deconectarea utilajului cu defect de izolaţie.

Instalaţia de protecţie prin legare la nul se dimensionează în funcţie de tensiunea de atingere maximă admisibilă şi de intensitatea curentului de declanşare al automatului de protecţie sau al siguranţei fuzibile. În a-cest fel, dacă intensitatea curentului de defect este mai mică decât curen-tul de declanşare, rezultă că tensiunea de atingere nu depăşeşte valoarea maximă admisibilă, iar dacă valoarea curentului de defect monofazat este mai mare decât curentul de declanşare, atunci sectorul de reţea cu defect va fi rapid deconectat, rapid, de la restul reţelei.

Ca şi în cazul reţelelor de tip TT, legarea la pământ a neutrului sur-sei face ca nivelul supratensiunilor să fie redus (§ 7.1.2).

Schemele de tip IT sunt acele scheme în care toate părţile active ale sursei de tensiune sunt izolate faţă de pământ sau acelea în care punctul neutru al sursei este legat la pământ printr-o impedanţă de valoare mare (ZN), iar masele echipamentelor electrice sunt legate la pământ, conform reprezentării grafice din figura 7.31.

L1 L2 L3

ZN

L1 L2 L3

MT/JT MT/JT

Figura 7.31 Scheme de tip IT

Spre deosebire de reţelele de tip TT sau TN, în cazul reţelelor de tip

IT protecţia prin legare la pământ dirijează circulaţia curenţilor de defect pe anumite trasee, ce includ admitanţele transversale ale fazelor reţelei, fără, însă, a determina deconectarea tronsonului de reţea la care a apărut defectul de izolaţie. Chiar dacă acest sistem de protecţie asigură reduce-

Page 73: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

72

rea tensiunii accidentale, faptul că nu asigură, simultan, şi deconectarea tronsonului de reţea cu defect de izolaţie este un dezavantaj, deoarece circulaţia curenţilor de defect, pentru un interval de timp nedeterminat, poate conduce la transformarea defectului monofazat în defect polifazat. Astfel, în cazul simplelor puneri la pământ, tensiunea fazelor sănătoase, în raport cu pământul, creşte de √3 ori, izolaţia fază – pământ fiind so-licitată cu o tensiune de frecvenţă industrială egală cu tensiunea de linie (§ 7.1.2). Prin efect cumulativ, această suprasolicitare a izolaţiei fazelor sănătoase poate conduce la producerea unui nou defect de izolaţie şi, deci, la transformarea simplei puneri la pământ în scurtcircuit polifazat la pământ, cu consecinţe grave în ceea ce priveşte integritatea echipamen-tului la care s-a produs defectul şi, mai ales, cu consecinţe grave în ceea ce priveşte riscul de electrocutare.

În reţelele de tip IT, legarea la pământ a carcaselor conductoare ale utilajelor şi echipamentelor este o metodă de protecţie eficientă împotriva electrocutărilor prin atingere indirectă, motiv pentru care sunt utilizate în zonele de lucru foarte periculoase, cu condiţia să se ia următoarele mă-suri principale de protecţie /18/: carcasele utilajelor electrice să fie legate între ele, prin legături de ega-lizare a potenţialului, de rezistenţă suficient de mică; rezistenţele instalaţiilor de legare la pământ de protecţie trebuie să fie suficient de mici; rezistenţele instalaţiilor de legare la pământ de protecţie, ca şi a celor-lalte legături la instalaţia de protecţie să fie controlate riguros, în mod periodic; rezistenţa de izolaţie a reţelei trebuie monitorizată on-line; sistemele de protecţie la supracurenţi să fie corect reglate, astfel încât să conducă la deconectare rapidă, în cazul dublei puneri la pământ.

În mod curent, protecţia prin legare la pământ a carcaselor utila-jelor se realizează prin intermediul unei reţele generale de legare la pă-mânt, aceasta constituind măsura de protecţie principală împotriva atin-gerilor indirecte, în reţele de tip IT. Este necesar ca toate utilajele să fie legate la reţeaua comună de protecţie, un singur utilaj nelegat la aceasta putând conduce la apariţia unor tensiuni accidentale periculoase, în cazul dublelor puneri la pământ, chiar dacă pentru toate celelalte utilaje este

Page 74: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

73

prevăzută legătura de egalizare a potenţialelor. Din acelaşi motiv, atunci când mai multe tronsoane de reţea sunt alimentate de la o aceeaşi sursă, reţelele generale de protecţie ale tuturor tronsoanelor trebuie să fie legate între ele /19, 21/.

Reţeaua generală de protecţie trebuie să fie legată la cel puţin două prize de pământ, situate în puncte diferite. Aceste prize de pământ trebuie să fie realizate în aşa fel încât rezistenţele de dispersie să aibă valori suficient de mici încât rezistenţa globală a instalaţiei generale de legare la pământ de protecţie să fie mai mică de 2 Ω, în cazul locurilor de muncă foarte periculoase, aşa cum sunt excavaţiile subterane, şi de 4 Ω, pentru restul instalaţiilor şi echipamentelor electrice. Legăturile dintre prizele de pământ şi reţeaua comună de legare la pământ de protecţie trebuie să se realizeze prin cel puţin două conductoare, rezultând o rezervă de 100 % a conexiunii /19, 21/.

În schemele de tip TT, impedanţa echivalentă a buclei de legare la pământ rezultă prin conectarea în serie a impedanţelor instalaţiilor de legare la pământ de protecţie şi de exploatare, valoarea relativ ridicată a acesteia limitând, în general, intensitatea curentului de defect monofazat la valori prea mici pentru a asigura funcţionarea releelor de supracurent sau a siguranţelor fuzibile. Din aceste considerente, utilizarea unui sistem de protecţie împotriva atingerilor indirecte, realizat din relee diferenţiale de curent rezidual, este esenţială, în acest tip de scheme /43/.

Schema electrică de principiu a protecţiei diferenţiale de curent re-zidual, în cazul unei de tip TT, este prezentată în schema monofilară din figura 7.32 /41/.

Figura 7.32 Scheme de principiu a utilizării releelor diferenţiale de curent rezidual în scheme TT: a) schema cu releul unic; b) schema de funcţionare

selectivă, cu coordonare a protecţiei în două trepte

MT/JT

R0 Rp

Ua

IdefIdef

MT/JT

R0 Rp1

a) b)

Rp2 Rp3

Page 75: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

74

În schemele de tip TN, toate elementele conductoare, care pot fi puse accidental sub tensiune, sunt conectate, direct, la punctul neutru al sursei de alimentare, prin intermediul conductoarelor de nul de protecţie (PE) sau prin intermediul conductoarelor de nul utilizate în comun (PEN). În aceste condiţii, orice defect de izolaţie, în raport cu pământul, reprezintă un scurtcircuit. Rezultă că protecţia împotriva electrocutării prin atingere indirectă este asigurată de către protecţia la supracurent a reţelei respective (declanşatoare cu acţiune directă, relee maximale de cu-rent asociate întrerupătoarelor automate de putere, siguranţe fuzibile etc). De altfel, în schemele TN-C nici nu ar putea fi utilizată o protecţie cu re-lee diferenţiale de curent rezidual, deoarece defectele transversale la pă-mânt sunt, implicit, defecte în raport cu conductorul de nul utilizat în co-mun şi, în consecinţă, curentul rezultant este sub pragul de acţionare al acestor relee.

Protecţia la supracurent, chiar în condiţiile unei corecte reglări şi coordonări a acesteia, nu este întotdeauna suficient de sigură. Acesta este motivul pentru care ea se asociază cu protecţia împotriva curenţilor de scurgere la pământ, realizată prin intermediul releelor diferenţiale de cu-rent rezidual, mai ales în următoarele situaţii /20, 21/: în cazul în care lungimea circuitelor de alimentare este mare; în cazul receptoarelor portabile; în cazul în care există riscul de întrerupere accidentală a conductorului de nul de protecţie.

Indiferent de situaţia care impune utilizarea protecţiei împotriva cu-renţilor de scurgere la pământ, aceasta nu poate fi aplicată decât în reţele de tip TN-S sau în reţele de tip TN-C-S, un exemplu de utilizare fiind a-cela care rezultă din reprezentarea grafică dată în figura 7.30 /41, 43/.

Aşa cum s-a arătat în § 7.1.4, atingerea directă în reţelele de tip IT nu este periculoasă, datorită limitării curentului prin corpul uman de către rezistenţele de izolaţie ale reţelei. La producerea unei simple puneri la pământ, intensitatea curentului de defect este mică, rezultat al limitării determinate de rezistenţele de izolaţie ale fazelor sănătoase şi rezistenţa prizei de pământ a instalaţiei de legare la pământ de protecţie. În aceste condiţii, tensiunile accidentale nu depăşesc nivelul câtorva volţi, atinge-rea indirectă fiind, de asemenea, nepericuloasă /22/.

Page 76: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

75

Risc major de producere a unei electrocutări prezintă, însă, situaţia în care în reţea se produce o dublă punere la pământ (§ 7.1.4), eveniment destul de probabil atâta timp cât producerea unei simple puneri la pă-mânt determină creşterea tensiunii de fază, a fazelor sănătoase, până la nivelul tensiunii de linie (§ 7.1.2). În consecinţă, protecţia împotriva elec-trocutării trebuie realizată tocmai pentru această situaţie, a dubeli puneri la pământ, prin deconectarea reţelei. În mod evident, premisa producerii unei duble puneri la pământ este aceea a producerii, pentru început, a unei simple puneri la pământ. În consecinţă, un element al protecţiei îl reprezintă monitorizarea stării izolaţiei faţă de pământ. Chiar şi în condi-ţiile monitorizării stării izolaţiei, măsura de protecţie principală rămâne aceea a deconectării reţelei. Timpii maximi de deconectare nu trebuie să depăşească valorile maxime normate, funcţie de tensiunea nominală a reţelei şi funcţie de modul în care sunt legate la pământ carcasele echi-pamentelor reţelei. Aceşti timpi de deconectare sunt normaţi în standarde precum CEI 364-4-41 /21/ şi CEI 60364 /22/.

Modul de legare la pământ a maselor echipamentelor reţelei are o importanţă deosebită asupra duratei de deconectare şi, implicit, asupra intensităţii curentului de scurtcircuit, a modului de alegere a schemei de protecţie şi a caracteristicilor de protecţie ale aparatajului. Astfel, dacă toate masele echipamentelor sunt conectate la un conductor PE comun, conform schemei din figura 7.33, circuitele prin care se închide curentul de scurtcircuit bifazat cu pământ nu includ rezistenţa prizei de pământ, efectul limitator al acesteia este exclus şi, în consecinţă, intensitatea cu-rentului de defect este suficient de mare încât pentru deconectarea ali-mentării să poată fi utilizate dispozitivele de protecţie convenţionale. Fac excepţie de la această regulă circuitele de alimentare cu lungimi foarte mari, circuitele care alimentează echipamente portabile şi cele care pre-zintă risc mare de întrerupere a conductorului de protecţie. În aceste ca-zuri, este preferabil ca protecţia să se realizeze prin utilizarea releelor di-ferenţiale de curent rezidual /41/.

În cazul schemelor IT în care masele echipamentelor sunt legate, în mod individual, la prize de pământ separate, sau în care masele unor gru-puri de echipamente sunt legate la aceeaşi priză de pământ, prizele gru-

Page 77: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

76

purilor nefiind legate între ele, protecţia maximală de curent nu mai este o protecţie sigură şi împotriva electrocutării prin atingere indirectă.

Figura 7.33 Reţea IT cu toate masele echipamentelor conectate la acelaşi conductor PE

Dacă masele tuturor echipamentelor nu sunt legate la un sistem co-

mun de electrozi de legare la pământ de protecţie, pot exista situaţii în care cele două puneri la pământ să apară la echipamentele legate la prize de pământ diferite. În acest caz, rezistenţele acestor prize de pământ au rol de limitare a intensităţii curentului de dublă punere la pământ, deco-nectarea prin protecţie maximală de curent putând să devină incertă. Pen-tru reducerea riscului electrocutării la atingere indirectă este necesară o protecţie suplimentară, realizată cu relee diferenţiale de curent rezidual, conform schemelor de principiu din figura 7.34 /21, 31, 41/. Figura 7.34 Utilizarea releelor diferenţiale de curent rezidual în care părţile

conductoare expuse sunt conectate la prize de pământ separate

Monitorizare izolaţie

MT/JT

R0 Rp

L1

L2

L3

PE

I >

I > I >

Isc

Protecţie la supratensiuni

MT/JT

Rp1 Rp2 Rp3

b)

Monitorizare izolaţie

R0 Rp R0

Protecţie la supratensiuni

a)

Page 78: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

77

Creşterea siguranţei reţelelor IT se poate realiza prin deconectarea tronsoanelor de reţea în care rezistenţa de izolaţie a scăzut sub anumite limite. Există mai multe categorii de sisteme de monitorizare a stării izo-laţiei şi de localizare a defectelor, cele mai frecvent utilizate fiind acelea care injectează impulsuri de joasă frecvenţă în reţeaua de distribuţie, con-form schemei prezentate în figura 7.35 /22, 42/. MT/JT

R0

Figura 7.35 Schema de principiu a localizării sub tensiune a defectelor, prin metoda injectării impulsurilor de joasă frecvenţă în reţea

Se poate concluziona că, în cazul instalaţiilor de joasă tensiune, tra-

tarea neutrului se abordează simultan cu modul de legare la pământ a păr-ţilor intermediare şi a carcaselor echipamentelor, fără ca o anumită sche-mă de legare la pământ să aibă caracter universal. Când alegerea unei scheme este posibilă, trebuie analizat fiecare caz în parte, opţiunea finală bazându-se pe condiţiile specifice impuse instalaţiei electrice, pe cerinţe-le utilizatorului şi pe regulile normate. Cea mai bună soluţie implică, de multe ori, utilizarea mai multor scheme de legare la pământ, pentru dife-rite părţi ale aceleiaşi instalaţii.

Principalele condiţii pe care trebuie să le satisfacă soluţia adoptată sunt următoarele /31/: protecţia împotriva electrocutării; protecţia împotriva incendiilor de natură electrică şi a exploziilor; continuitatea alimentării;

L

PE

PE

ă frecvenţă

Element de protecţie la

supratensiuni

Dispozitiv de monitorizare a

izolaţiei

Monitorizare curent impuls

Măsurare curent impuls

Generator de impulsuri de

joas

Page 79: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

78

protecţia împotriva supratensiunilor; protecţia împotriva perturbaţiilor electromagnetice.

O comparaţie între diferitele scheme de legare la pământ conduce la următoarele observaţii: Schema TT este recomandată pentru instalaţii care au o supraveghere limitată sau pentru instalaţii susceptibile de a fi extinse sau modificate. Schema IT este recomandată pentru cazurile în care continuitatea ali-mentării cu energie electrică este absolut necesară şi pentru asigurarea unui risc de electrocutare redus, în zonele foarte periculoase. Schema TN-S este recomandată pentru instalaţii care au un nivel ri-dicat de supraveghere şi pentru instalaţii care nu vor fi extinse sau mo-dificate. Această schemă este, în general, implementată fără instalarea unor relee diferenţiale de curent rezidual. Schemele TN-C şi TN-C-S nu sunt recomandate, datorită riscului de producere a incendiilor şi datorită perturbaţiilor electromagnetice cau-zate de căderile de tensiune pe conductoarele PEN, de către curenţii mari de scurtcircuit şi de curenţii care circulă, permanent, prin părţile conductoare intermediare.

Bibliografie 1. Goia. L.M., Işfanu T., Bălan G., Tănăsescu A., Tratarea neutrului reţelelor

de medie tensiune, Editura Tehnică, Bucureşti, 1985. 2. Gavrilaş N., Istrate M., Guşă M., Asaftei C., Tehnica tensiunilor înalte.

Note de curs, Universitatea Tehnică “Gh.Asachi” Iaşi, 1996. 3. Guşă M., Istrate M., Gavrilaş N., Asaftei C., Tehnica tensiunilor înalte.

Supratensiuni în sistemele electroenergetice, Editura Fundaţiei Culturale “Renaşterea Română”, Iaşi, 1997.

4. ***, Electrical installation guide According to IEC International Stan-dards, Schneider Electric, 2005.

5. Iacobescu Gh., Iordănescu I., Ţenovici R., Reţele electrice, Editura Didac-tică şi Pedagogică, Bucureşti, 1975.

6. Calvas R., Lacroix B., Earthing systems worldwide and evolutions, Cahier Technique no.173, Schneider Electric, 1995.

7. Sautriau F., Neutral earthing in an industrial HV network, Cahier Tech-nique no. 62, Schneider Electric, 1996

Page 80: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

79

8. Calvas R., Lacroix B., System Earthing in LV, Cahier Technique no.172, Schneider Electric, Centre de Recherches A2, 2004.

9. Clarke E., Analiza circuitelor sistemelor electroenergetice, Editura Teh-nică, Bucureşti, 1973.

10. Ulianov S.A., Regimuri tranzitorii ale sistemelor electrice, Editura Teh-nică, Bucureşti, 1967.

11. Eremia M., Criştiu H., Ungureanu B., Bulac C., Analiza asistată de calcu-lator a regimurilor sistemelor electroenergetice, Editura Tehnică, Bucu-reşti, 1985.

12. ***, Alternative Transient Program, ATP, Theory Book, Leuven EMTP Center, 1995.

13. ***, Alternative Transients Program - Rule Book, Canadian/ American EMTP User Group, 1992.

14. ***, EDSA 2.7, Program pentru calculul regimurilor permanente şi de scurtcircuit în reţelele electrice, EDSA Micro Corporation, 1998.

15. Varvara V., Zaharia I., Popescu I., Bazele Electrotehnicii – Circuite elec-trice în curent alternativ, Editura CERMI Iaşi, 2003.

16. Istrate M., Contribuţii la coordonarea izolaţiei reţelelor electrice în vede-rea compactizării liniilor electrice aeriene, Teză de doctorat, Universitatea Tehnică “Gheorghe Asachi” Iaşi, 1996.

17. ***, Normativ privind alegerea izolaţiei, coordonarea izolaţiei şi protec-ţia instalaţiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor, Indicativ NTE 001/03, ANRE, 2003

18. Istrate M., Electrosecuritate, Editura CERMI, Iaşi, 2007. 19. Vasilache G., Sisteme de protecţie împotriva tensiunilor electrice acciden-

tale, Editura Tehnică, Bucureşti, 1980. 20. Cadick J., Capelli-Schellpfeffer M., Neitzel D., Electrical Safety Hand-

book, McGraw- Hill, 2006. 21. ***, Electrical installation guide According to IEC International Stan-

dards, Schneider Electric, 2005. 22. Jullien F., Hertier I., The IT earthing system (unearthed neutral) in LV,

Cahier technique no.178, Schneider Electric, 1999. 23. Asandei D., Protecţia sistemelor electrice, Editura MatrixRom, Bucureşti,

1999. 24. Asaftei C., Guşă M., Istrate M., Gavrilaş N., Tehnici de control şi suprave-

ghere a reţelelor electrice de distribuţie, Editura Fundaţiei Culturale “Renaşterea Română”, Iaşi, 1998.

25. Costea M., Metode şi mijloace de asigurare a imunităţii electromagnetice, Editura AGIR, Bucureşti, 2006.

Page 81: Tratarea neutrului retelelor electrice.pdf

Tratarea neutrului reţelelor electrice de distribuţie

80

26. ***, Collection guides pratiques No. 3 – Les schémas de liaison à la terre – régimes de neutre, Schneider Electric, 1998.

27. ***, SR CEI 60050-161/1998, Vocabularul electrotehnic internaţional, Cap. 161 – Compatibilitate electromagnetică, 1998

28. ***, IEC 60947 (EN 60947), Standards for Low-Voltage Switchgear and Controlgear, 1992 – 1996.

29. Calvas R., Perturbations des systèmes électroniques et schémas des liai-sons à la terre, Cahier Technique no. 177, Schneider Electric, 2002.

30. ***, Indicativ I.7-98, Normativ pentru proiectarea şi executarea instala-ţiilor electrice cu tensiuni până la 1000 V c.a. şi 1500 V c.c., ICECON SA, Bucureşti, 1998.

31. ***, Manualul instalaţiilor electrice, Schneider Electric, 2002. 32. ***, NF C 15-100/2003, Installations électriques en basse tension, 2003. 33. Vasilievici A., Colceriu M., Stănescu D., Digital Equipment Used in Earth

Compensated Networks for Automatic ASC Tuning and Selective Earth Fault Detection, The 5th International Power Systems Conference PSC 2003, Timişoara, 2003.

34. Zamora I., Mazón A. J., Antepara F., Pühringer M., Saenz J.R., Experien-ces of Neutral Resonant System Implantation in Gorliz Substation, CIRED, 17th International Conference on Electricity Distribution Barcelona, 2003.

35. ***, http://www.swedishneutral.se 36. Jan de Kock, Strauss K., Practical Power Distribution for Industry,

Elsevier-Newnes, 2004. 37. Vijayaraghavan G., Brown M., Barnes M., Practical Grounding, Bonding,

Shielding and Surge Protection, Elsevier-Newnes, 2004. 38. Warne D.F., Newnes Electrical Power Engineer’s Handbook - Second

Edition, Elsevier-Newnes, 2005. 39. Jan de Kock, Strauss K., Practical Power Distribution for Industry,

Elsevier-Newnes, 2004. 40. Sufrim M., Goia L.M., Petran M., Instalaţii de legare la pământ, Editura

Tehnică, Bucureşti, 1987. 41. ***, Vigirex: prezentare relee de protecţie contra defectelor de punere la

pământ cu miezuri toroidale separate, Schneider Electric, 2004. 42. ***, Electrical distribution -Transparent Ready, Information that puts you

in control, Technical Guide 2006, Schneider Electric, 2006. 43. Calvas R., Residual current devices, Cahier Technique no. 114, Schneider

Electric, 1999.