CUPRINS

ARGUMENT...................................................................................................................................................2

CAP. I METODE DE PROTECȚIE ÎMPOTRIVA SUPRATENSIUNII........................................................4

CAP II. ECLATOARE.....................................................................................................................................4

II.1 Eclatoarele cu coarne.............................................................................................................................5

II.2 Eclatoarele cu tijă...................................................................................................................................6

II.3 Eclatoare cu inele sau coarne de protecție..............................................................................................6

CAP III. DESCĂRCĂTOARE.........................................................................................................................7

III.1 Descărcătoare tubulare..........................................................................................................................7

III.2 Domenii de utilizare.............................................................................................................................9

III.3. Descărcătoare cu rezistență variabilă...................................................................................................9

III.4 Modul de legare al descărcătoarelor...................................................................................................11

III.5 Descărcătoare cu rezistență variabilă pentru instalațiile de joasă tensiune..........................................13

IV. BIBLIOGRAFIE......................................................................................................................................16

1

ARGUMENT

În funcționarea instalațiilor electrice , in anumite cazuri,pentru un scurt timp, valoarea reală a tensiunii față de pământ și între conductoare depășește valoarea tensiunii de serviciu maxime admisibile.

Se numește supratensiune orice solicitare de tensiune care apare în instalație, depășind un timp oricât de scurt, valoarea tensiunii de serviciu maxime admisă. Supratensiunile sunt periculoase prin faptul că pot provoca străpungerea sau conturnarea izolației, determinând deteriorări grave în instalație și chiar distrugerea utilajelor.

Cele mai importante supratensiuni sunt:

- Supratensiunile de origine atmosferică provocate de loviturile de trăsnet care cad asupra instalațiilor electrice sau în apropierea lor

- Supratensiunile de comutație , care apar la întreruperea transformatoarelor și a liniilor electrice aeriene lungi funcționând în gol

- Supratensiunile de punere la pământ, care apar la punerea la pământ a unei faze într-o rețea trifazată cu neutrul izolat sau pus la pământ prin bobine de stingere.

Supratensiunile de comutație și cele de punere la pământ se numesc supratensiuni de origine internă deoarece se produc ca urmare a unor modificări de situație în instalația electrică.

Rezistența izolațiilor față de solicitările la supratensiune estemult influențată de:

- Mărimea tensiunii aplicate- Durata de aplicare a tensiunii- Forma tensiunii aolicate

2

Acestea reprezintă cele mai importante mărimi prin care sunt caracterizate diferitele tipuri de supratensiuni.

Supratensiunile de punere la pământ sunt creșteri ale tensiunii de frecvență industrială,a căror amplitudine este de 1,2-1,73 de ori maimare decât amplitudinea tensiunii de serviciu și a căror durată este de fracțiuni de secundă în rețelele cu neutrul legat direct la pământ, putând atinge căteva ore în rețelele cu neutrul izolat. Amplitudinea lor este mică dar cu o durată relativ mare.

Supratensiunile de punere la pământ apar în momentulpunerii accidentale la pământ a unuiconductor, într-un sistem trifazat cu neutrul izolat sau legat la păm,ânt prin bobină de stingere. În acest caz tensiunea față de pământ a fazelor sănătoase poate crește până la valoarea tensiunii între faze. Protecția împotriva acestor supratensiuni se realizează prin dimensionarea izolației pentru valorile tensiunilor de încercare impuse prin standarde și folosind relee de protecție care semnalizează apariția unor astfel de defecte.

Supratensiunile de comutație sunt oscilații puternic amortizate cu frecvența de 700-1000 Hz care apar la schimbările bruște de situație ale unui circuit electric. Amplitudinea supratensiunilor de comutație este de 2,8-3 ori mai maredecât valoarea de vârf a tensiunii de serviciu pe fază, iar durata lor de câteva milisecunde. Protecția împotriva acestor supratensiuni se realizează prin dimensiionarea izolației și construind aparate de întrerupere astfel încât să nu producă supratensiuni mari.

Supratensiunile de origine atmosferică apar numai pe linii aeriene, ca urmare aloviturilor de trăsnet directe sau în vecinătatea liniei și se caracterizează prin durate extrem de mici dar prin amplitudini foarte mari până la câteva milioane devolți, forma lor fiind cea a unui impuls de tensiune deobicei de polaritate negativă. Valoarea supratensiunii nu depinde de tensiunea nominală și de caracteristicile rețelei.

CAP. I METODE DE PROTECȚIE ÎMPOTRIVA SUPRATENSIUNII

3

Pentru protecția instalațiilor electrice împotriva supratensiunilor se folosesc frecvent următoarele metode:

Luarea de măsuri deprotecție care să evite apariția supratensiunilor sau să reducă durata lor.Aceste metode se aplică numai pentru supratensoiunile deorigine internă și se realizează prin:

-proiectarea corespunzătoare a întreruptoarelor și a siguranțelor astfel încât prin funcționarea lor să nu producă supratensiuni periculoase- legarea la pământ a neutrului rețelelor- folosirea de relee de protecție care să semnalizeze apariția unor puneri la pământ în instalație- evitarea anumitor manevre care provoacă supratensiuni Folosirea de aparate de protecție care limitează valoarea de vârf și durata

supratensiunilor, prin amorsarea unui arc la pământ. După principiul de amorsare și stingere a arcului electric, aparatele deprotecție împotriva supratensiunilor seîmpart în: eclatoare, descărcătoare tubulare,descărcătoare cu rezistență variabilă.

CAP II. ECLATOARE

Cele mai simple aparate de protecție împotriva supratensiunilor deorigine atmosferică sunt eclatoarele.Acestea sunt formate din doi electrozi metalici,izolați între ei și amplasați în aer la o anumită distanță unul față de altul. Îndată ce tensiunea aplicată între electrozi depășește o anumită valoare care depinde de forma electrozilor și spațiul dintre aceștia, spațiul de aer este străpuns, amorsându-se astfel un arc electric. Dacă unul dintre electrozi este legat la linia aflată sub tensiune și celălalt la pământ, se obține astfel o limitare a valorii supratensiunilor care pot să apară pe linie. Se deosebesc trei tipuri constructive de eclatoare folosite ca aparate de protecție împotriva supratensiunilor:

-eclatoare cu coarne-eclatoare cu tijă- eclatoare cu inele sau coarne de protecție

4

II.1 Eclatoarele cu coarne

Sunt cele mai vechi și cele mai simple aparate de protecție împotriva supratensiunilor( fig. 1a).

Fig.1a) Eclator cu coarne; b) eclator cu tijă; eclator cu inele și coarne de protecție

Se numesc astfel, deoarece electrozii au forme de coarne, pentru a mări posibilitatea de întrerupere prin suflaj magnetic a arcului electric amorsat între ei. Se folosesc din ce în cemai puțin în rețelele de curent alternativ,deoarece

- Tensiunea de amorsare a arcului electric la aceste eclatoare variază întrelimite foarte mari

- Puterea de stingere a arcului electric este redusă- Pot apărea scurcircuite între faze- Necesită mult spațiu ,în raport cu eclatoarele cu tijă

Ele sunt relativ frecvent folosite în rețelele de tracțiune electrică de curent continuu, deoarece descărcătoarele de curent continuu suntmai scumpe și mai puțin perfecționate decât cele de curent alternativ.

II.2 Eclatoarele cu tijă

Sunt cele mai folosite în prezent( fig 1.b), deoarece au o construcție simplă, necesită un spațiu redus și nu prezintă o variație mare a valorii tensiunii de amorsare. Se montează pe izolatoarele de trecere ale transformatoarelor având rolul de a limita valoarea tensiunii care poate să apară la bornele acestora. De obicei, arcul amorsat nu

5

sestinge de la sine, fiind necesără scoaterea de sub tensiune a instalației pentru foarte scurt timp.

II.3 Eclatoare cu inele sau coarne de protecție

Au o construcție specială folosite pentru protecția lanțurilor deizolatoare ale liniilor aeriene de înaltă tensiune( fig 1. c).

Coarnele de protecție au următoarele funcțiuni:-uniformizarea repartiției tensiunii pe diferite izolatoare din lanț- asigurarea unei anumite tensiuni de conturnare a lanțului de izolatoare, independent de starea suprafeței acestora- menținerea arcului de conturnare câtmai departe de suprafața izolatoarelor pentru ca acestea să nu fie deteriorate prin acțiunea termică și dinamică a arcului electric- ușurarea stingerii de la sine a arcului electric, fără a provoca scurcircuite între faze.E clatoarele sunt aparate simple,ieftine și eficace de protecție împotriva

supratensiunilor. Ele au o serie de dezavantaje cum ar fi:- Tensiunea de amorsare a spațiului dintre electrozi nu areo valoare fixă, ci

variază în funcție de forma și de starea electrozilor,deforma undei de impuls, desituația atosferică etc.

- Ele nu pot stinge arcul amorsat , fiind necesară în acest scop scoaterea de sub tensiune a porțiunii respective din instalație

CAP III. DESCĂRCĂTOARE

Descărcătoarele sunt aparate de protecție care pe lângă funcțiaprincipală de limitare a supratensiunilor sunt capabile să reducă curentul deînsoțire la valori pentru care spațiul disruptiv devine izolant, fiind prevăzute

6

cu dispozitive speciale de stingere a arcului electric, imediat ce tensiunea arevenit la valori nepericuloase pentru instalație .

Rolul funcțional al descărcătorului electric este de a limitasupratensiunile atmosferice și de comutație într-o instalație electrică.Descărcătorul se montează la intrarea în stațiile electrice între fază și pământși în punctele în care linia își modifică impedanța caracteristică.

Pentru protecția la supratensiuni atmosferice a liniilor electrice sefolosesc pe lângă descărcătoare și eclatoare care sunt mai simple constructiv(și deci mai ieftine) dar nu conțin elemente de stingere a arcului electric șideci utilizarea lor este posibilă doar alternant cu descărcătoare.

III.1 Descărcătoare tubulare

Acestaeste un eclator care realizează stingerea arcului electric amorsat între electrozi( fig 2). Pentru aceasta , eclatorul cu rol de limitare a valorii supratensiunilor este introdus într-un tub din material izolant,care sub acțiunea temperaturrii înalte a arcului electric poate degaja o mare cantitate de gaze.

La apariția unei unde de tensiune care depășește tensiunea de amorsare a descărcătorului,spațiul de amorsare din interiorul tubului șicel exterior sunt străpunse, amorsându-se un arc electric prin intermediul căruia unda este canalizată la pământ.

După anihilarea în acest mod a supratensiunii, distanțele de amorsare rămân puternic ionizate, ceea ce face ca prin descărcător să continue să treacă, sub formă de arc electric,un curent alimentat de tensiunea de serviciu a rețelei, numit curent de însoțire sau curent rezidual. În cazul descărcătoarelor tubulare, care au în timpul funcționării o rezistență internă mică, curentul rezidual este practic egal cu cel care s-ar stabili prin legarea directă la pământ a rețelei în acel punct.

Temperatura înaltă a arcului electric( 6000-70000 C) descompunematerialul peretelui tubului,degajând omare cantitate de gaze, care crează în interiorul tubului o presiune foarte mare( 40-100 at). Datorită acestei presiuni, gazele părăsesc exploziv tubul, dezionizând energic spațiul interior de amorsare; astfel se obține, în două-trei semiperioade, stingerea arcului electric și restabilirea izolației conductei protejate.

7

Fig 2 Descărcător tubular1- Tub izolant din material generator de gaze; 2 –electrod

superior;3- electrod inferior; 4 distanța interioară de amorsare;5-distanța interioară de amorsare;6- conductă

protejată; 7- piese de fixare

Deoarece gazele necesare întreruperii sunt produse de curentul care trebuie întrerupt, rezultă două limite în funcționarea descărcătoarelor tubulare; în interiorul cărora este asigurată funcționarea lor normală:

- o limită superioară a curentului de punere la pământ a liniei( circa 7-10kA) ,peste care cantitatea degaze produse este prea mare,presiunea interioară putâmd distruge tubul

- o limită inferioară a curentului de punere la pământ a liniei, sub care cantitatea de gaze produse este prea mică și întreruperea nu se mai poate realiza în timp sufucient de scurt( cel mult 5-7 semiperioade)

Aceste limite depind, în foarte mare măsură de mărimea diametrului interior al tubului. Valoarea acestui curent de punere la pământ a liniei depinde în foarte mare măsură de felul cum este legat neutrul rețelei la pământ și în anumită măsură de poziția

8

descărcătorului în rețea. Deaceea , la alegerea descărcătoarelor tubulare trebuie avute în vedere cele două limite de funcționare sigură.

III.2 Domenii de utilizareDescărcătoarele tubulare se folosesc în special pentru protecția

liniilor și a stațiilor mici de transformare, în instalațiile cu tensiuni nominale cuprinse între 3și 110 kV. Pot fi folosite cu succes ca protecție suplimentară a stațiilor importante fiind montate pe stâlpii de la intrarea în stație, cu scopul de a reduce solicitările la care sunt supuse descărcătoarele cu rezistență variabilă din stație, în cazul unor lovituri de trăsnet apropiate.

III.3. Descărcătoare cu rezistență variabilăAceste descărcătoare sunt cele mai perfecționate aparate de

protecție împotriva supratensiunilor,folosite în prezent.(Fig 3)

Fig. 3 Descărcător cu rezistență variabilă

9

Un descărcător cu rezistență variabilă este format din următoarele elemente:

- 1- o coloană cu discuri obținute din praf de carbură de siliciu( carborund) aglomerat cu anumiți lianți, care constituie o rezistență variabilă în funcție de tensiune

- 2- ocoloană de eclatoare identice formate din discuri de cupru sau de alamă separate prin distanțiere ( din mică, steatit)

- 3-un izolator din porțelan în interiorul căruia sunt închise ermetic eclatoarele și rezistențele

Eclatorul( fig 4) este astfel dimensionat,încât asigură izolația față de pământ a conductorului protejat, latensiunea de serviciu și supratensiuni interne de valoare normală. La apariția unei supratensiuni care depășește aceste valori,eclatorul amorsează practic fără întârziere, un arc electric. Se strabilește astfel prin intermediul rezistențelor , un curent la pământ. Înfelul acesta energia undei de supratensiune sescurge spre pământ, discurile de rezistență variabilă fiind străpunse, timp de câteva zeci de microsecunde de un curent de impuls de câteva sute până la câteva mii de amperi.

Fig 4a- Înainte de amorsare( rezistență aproapeinfinită, curent zero);

b- amorsare la impuls de tensiune( rezistență foarte mică, curent de trecere foarte mare);c- după scurgerea undei de

impuls prin descărcător trece" curentul de însoțire"( rezistență mare, curent de valoare mult maimică

decât în cazul precedent); d- după întreruperea curentului de însoțire, a revenit la starea inițială; E –eclator; R- discuri de carborund( rezistențe variabile); I- curentul prin descărcător

10

Deoarece discurile de rezistență variabilă au proprietatea de a-și reduce cu atât mai mult rezistența, cu cât tensiunea aplicată este mai mare, căderea de tensiune la bornele descărcătorului, numită tensiune reziduală se menține la valori nepericuloase pentru izolația instalației.

După ce supratensiunea a fost anihilată în acest mod, eclatorul rămâne ionizat , iar prin descărcător continuă să treacă un curent alimentat detensiunea de serviciu, numit curent de însoțire. Dar la valoarea tensiunii de serviciu corespunde o valoare mult mai mare a rezistenței variabile, care limitează curentul prin descărcător, la valori suficient de mici , pentru a putea fi stins de eclator la prima trecere naturală prin zero.

Un descărcător cu rezistență variabilă are următoarele funcții: Eclatorul asigură, în funcționare normală,uzolația necesară

a conductei față de pământ și stabilește legătura cu pământul la apariția unei supratensiuni care depășește un anumit nivel; elîntrerupe curentul deînsoțire

Rezistențele variabile opun o rezistență cât mai mică în calea curentului de impuls, dar limitează curentul de însoțire la valori atât mai mici, încât să poată fi întrerupt de eclator

Izolatorul asigură izolația exterioară și menține eclatorul și rezistențele într-un spațiu uscat, ferit de influențele exterioare și îndeosebi de acțiunea dăunătoare a umidității și oxigenului.

III.4 Modul de legare al descărcătoarelorDescărcătoarele cu rezistență variabilă se pot lega în mod diferit în funcție de

diferite situații specifice de utilizare.

11

a b

c

d

12

e

Fig 5

În figura 5 –a este reprezentat modul de conectare a descăcătoarelor cu rezistență variabilă în cazul celmai frecvent al folosirii lor pentru protecția transformatoarelor de forță; descăcătoarele sunt montate între faze și pământ, direct la bornele transformatorului sau în imediata vecinătate a acestuia.

Înfigura 5-b este indicat modul de conectare în cazul folosirii descărcătorului la protecția neutrului unui transformator mare( protecție împotriva supratensiunilor provocate în neutru de reflexia în acest punct a undelor de impuls venite de pe linie ).

În figura 5-c este reprezentat modul de conectare a descărcătorului cu rezistență variabilă în cazul folosirii lui pentru protecția unui motor de înaltă tensiune conectat la o linie aeriană.

Figura 5-d reprezintă un mod de legare mai puțin frecvent, și anume descărcătoarele sunt conectate între faze ( și nu între fazî și pământ cum este uzual), în scopul de a reduce solicitările cauzate de anumite supratensiuni de origine internă care iau valori mai mari între faze decât față de pământ. Acest mod de conectare este folosit uneori, în rețelele de foarte înaltă tensiune, unde importanța supratensiunilor interne poate fi mai mare decât cea a supratensiunilor de origine atmosferică.

Figura 5-e este reprezentată utilizarea descărcătoarelor cu rezistență variabilă pentru protecția unui autotransformator de înaltă tensiune( se folosesc descărcătoare cu rezistență variabilă atât pentru protecția înfășurării de reglaj cât și pentru a evita trecerea unor unde periculoase de impuls prin înfășurarea în serie a autotransformatorului dintr-o rețea în cealaltă).

III.5 Descărcătoare cu rezistență variabilă pentru instalațiile de joasă tensiune

În instalațiile de joasă tensiune se folosesc descărcătoare cu rezistență variabilă îndeosebi pentru protecția instalațiilor electrice din locuințe alimentate cu energie electrică prin linii aeriene. Descărcătoarele cu rezistență variabilă de joasă sunt de obicei formate dintr-un singur eclator și un singur disc de rezistență variabilă, închise ermetic în interiorul unui izolator.

13

O particularitate a multor descărcătoare cu rezistență variabilă de joasă tensiune o constituie prezența unui element de siguranță care întrerupe vizibil legătura la pământ în cazul în care, ca urmare a unei solicitări pre puternice, electrozii eclatorului s-au sudat între ei, punând astfel linia la pământ ( fig.6, b).

În rețelele de curent continuu folosirea descărcătoarelor cu rezistență variabilă este mult mai restrânsă, datorită dificultăților de stingere a arcului electric de curent continuu, care persistă în eclator du8pă anularea supratensiunilor de impuls.

Pentru liniile de tracțiune electrică de 700-3000V s-au realizat descărcătoare de rezistență variabilă de construcție specială, la care stingerea arcului continuu rezidual este favorizată mult prin folosirea suflajului magnetic.

Fig.6 Descărcătoare cu rezistență variabilă de joasă tensiune

a- construcție fără indicator de funcționare; b-construcție cu indicator de funcționare; 1- bornă de legare la linie; 2- bornă de legare la pământ; 3- eclator

de amorsare; 4- disc de rezistență variabilă cu tensiunea; 5- garnitură de etanșare; 6- izolator; 7- fir fuzibil

Un astfel de descărcător cu rezistență variabilă pentru rețelele de curent continuu este reprezentat în figura 7. Principiul de funcționare este următorul: în mod normal linia 1 este izolată față de pământ prin eclatorul 3; la apariția

14

unei unde de supratensiune, eclatorul amorsează și prin discul 4 trece spre pământ un curent de impuls de valoare mare; în acest timp, rezistența discului( variabilă cu tensiunea) are o valoare redusă, deci prin înfășurarea bobinei de suflaj 5 trece un curent de intensitate mică. După anihilarea, în acest mod, a undei de supratensiune, prin descărcător continuă să treacă un curent alimentat de tensiunea rețelei, însă , valoarea rezistenței discului 4 se mărește mult și curentul de punere la pământ a liniei este obligat să treacă prin bobins de suflaj magnetic 5, care contribuie la stingerea arcului electric în eclator.

Fig. 7 Descărcător cu suflaj magnetic folosit în rețelele de curent continuu1- linie de curent continuu; 2- bornă de legare la linie; 3 – eclator, 4- disc de

rezistență variabilă cu tensiunea; 5- bobină de suflaj magnetic cu miez de fier; 6- carcasa descărcătorului; 7- bornă de legare la pământ

15

IV. BIBLIOGRAFIE

1.Aurel Popa- Aparate electrice de joasă și înaltă tensiune – Manual pentru licee de specialitate-Editura Didactică și Pedagogică -1982

2. Lizeta Popescu –Echipamente electrice- Editura Alma Mater Sibiu 2008

16