1 1

REGIMUL DE SCURTCIRCUIT ŞI MĂRIMILE

CARACTERISTICE ASOCIATE (2)

2

Scurtcircuit "apropiat"

• Dacă scurtcircuitul se produce în apropierea unor generatoare reale,

curentul de scurtcircuit este determinat, într-o măsură importantă, de

impedanţa internă a generatorului sincron

– Situaţie tipică: scurtcircuit care se produce pe barele unei staţii de centrală

• Pe durata regimului tranzitoriu de scurtcircuit curentul continuă să fie suma a

două componente:

– componenta aperiodică (liberă ), depinde de unghiul de comutaţie diferenţa dintre

unghiul de conectare şi faza impedanţei echivalente de scurtcircuit,

– componenta periodică (forţată), imprimată de sursa care alimentează defectul

• Cele două cazuri de scurtcircuit diferă în ceea ce priveşte componenta

periodică

3

Regim tranzitoriu de scurtcircuit apropiat

Când un defect trifazat simetric se produce

la bornele unui generator sincron,

oscilograma curenților pe fiecare dintre cele

trei faze are aspectul din figura alăturată.

Curentul are două componente –

componenta aperiodică respectiv periodică

Componenta periodică își modifică

amplitudinea pe durata regimului tranzitoriu,

spre deosebire de cazul scc. îndepărtat în

care amplitudinea componentei periodice se

menține constantă pe toată durata regimului

tranzitoriu.

4

Reprezentare schematică a înfășurărilor unui generator sincron cu poli aparenți (stânga)

Schema electrică echivalentă (dreapta)

Infășurările de

amortizare sunt

înfășurări legate în

scurtcircuit

5

Reacţia generatorului sincron la apariția scurtcircuitului

• O variaţie bruscă de curent în înfăşurarea statorică determină reacţii

– în înfăşurarea de excitaţie (rotorică)

– în înfăşurarea de amortizare (dacă aceasta există)

• Reacţiile acţionează în sensul conservării fluxului rezultant iniţial.

• Reacţia se manifestă prin apariţia unor curenţi induşi (de reacţie) în

înfăşurarea de excitaţie respectiv în cea de amortizare

• Fluxurile corespunzătoare curenţilor induşi se închid local, deci sunt fluxuri

de dispersie.

• Curenţii induşi în înfăşurarea de excitaţie respectiv în cea de amortizare

au un caracter tranzitoriu.

– Într-o primă etapă se anulează curentul din înfăşurarea de amortizare

(înfăşurarea are o constantă de timp mai mică);

– în etapa următoare se anulează curentul din înfăşurarea de excitaţie

(înfăşurarea are o constantă de timp ceva mai mare).

6

Componenta periodică

(componentele aperiodice nu sunt reprezentate)

Analiza variației înfășurătoarei curentului de scurtcircuit pune în evidență 3

perioade cu caracteristici diferite: subtranzitorie, tranzitorie și staționară

7

a) Regim subtranzitoriu pe durata căruia se anulează componenta

aperiodică a curentul indus în înfăşurarea de amortizare.

Durată estimată: 5 perioade (100 ms) de la producerea defectului

Mărimi caracteristice

x“d - reactanţa subtranzitorie a generatorului,

Ik“ - valoarea efectivă a componentei periodice subtranzitorii a

curentului de scurtcircuit - poate fi de până la de 10 ori mai mare

decât valoarea curentului stabilizat de scc (ultima fază a regimului)

Tk“ - constanta de timp subtranzitorie

Valoarea subtranzitorie a componentei periodice a curentului de

scurtcircuit este utilizată pentru determinarea capacităţii de rupere a

întreruptoarelor şi siguranţelor fuzibile

8

b) Regim tranzitoriu - pe durata căruia se anulează componenta

aperiodică a curentul indus în înfășurarea de excitație; durează de

la sfârşitul perioadei subtranzitorii până la cca.2 secunde de la

producerea defectului

Mărimi caracteristice

x’d - reactanţa tranzitorie a generatorului,

Ik’ - valoarea efectivă a componentei periodice tranzitorii a

curentului de scurtcircuit - poate fi de până la de 5 ori mai mare

decât valoarea curentului stabilizat de scc (ultima fază a regimului)

Tk’ - constanta de timp tranzitorie - mult mai mare decât constanta

de timp subtranzitorie, în consecință perioada tranzitorie persistă

mai mult decât cea subtranzitorie

c) Regim stabilizat de scurtcircuit - este regimul staționar care

se instalează după amortizarea regimului tranzitoriu

Curentul de scurtcircuit stabilizat un curent cu variație periodică

sinusoidală (nu mai există componente aperiodice). Valoarea sa

efectivă se notează cu Ik

Reactanţa corespunzătoare regimului, (xd) se numeşte reactanţă

sincronă (sau reactanţă la saturaţie)

9

10

Cele trei perioade pot fi identificate dacă se reprezintă grafic variația în

timp a înfăşurătoarei componentei periodice a curentului de scurtcircuit

folosind scală liniară pentru timp și scală logaritmică pentru curent

11

Valorile medii ale reactanțelor

Tipul generatorului "

dx dx dx

turbogenerator

Pn 25 MW 12,5 19 170

30 Pn 100 MW 14,5 22 165

100 < Pn 300 MW 19,5 27 185

hidrogenerator

Pn 25 MW

cu înfăşurări de amortizare 20 35 115

fără înfăşurări de amortizare 27 27 115

12

curent total de scc

13

Reprezentare calitativă a variaţiei curentului de

scurtcircuit apropiat de generator

• Deoarece constanta de timp cu care se amortizează componenta

aperiodică tranzitorie (T‘k) este mai mare decât cea cu care se

amortizează componenta aperiodică subtranzitorie (T“k), este posibil

ca prima trecere prin zero a curentului de scurtcircuit să se producă

DUPĂ CÂTEVA PERIOADE.

• pot să apară probleme în funcţionarea întreruptoarelor

Prima trecere prin zero a curentului

Sunt importante pentru:

-verificarea stabilităţii electrodinamice şi

termice în regim de scurtă durată

-alegerea capacităţii de rupere a

echipamentului de comutaţie

Curentul iniţial de scurtcircuit

kI

Valoarea efectivă a componentei

periodice a curentului de scurtcircuit în

momentul producerii acestuia.

Curentul de şoc soci

Cea mai mare valoare instantanee a

curentului de scurtcircuit

14

Valori speciale ale curentului de scurtcircuit

CEI 60909 respectiv NTE 01 / 2001

Cu ajutorul acestor valori se cuantifică nivelul solicitărilor care apar în timpul regimului de

scurtcircuit într-un punct din reţea. Ele depind de topologia şi caracteristicile reţelei în

momentul în care se produce scurtcircuitul.

15

Curent permanent de scurtcircuit kI

Valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit care rămâne după amortizarea

fenomenelor tranzitorii

Curent de rupere rI (caracteristic întreruptoarelor)

Valoarea efectivă a unei perioade complete a componentei periodice a curentului de

scurtcircuit la un scurtcircuit net, în momentul separării contactelor primului pol al

unui echipament de comutaţie.

Pentru defect departe de generator

kk II (amplitudinea componentei periodice a curentului de scurtcircuit este

constantă pe toată durata defectului), în consecinţă rI kk II

Pentru defect aproape de generator

kk II rI (amplitudinea componentei periodice a curentului de scurtcircuit

variază în timpul defectului), în consecinţă rI trebuie calculat în funcţie de

momentul în care se produce întreruperea curentului de defect în dispozitivul

de stingere (camera de stingere)

16

Apariția curentului de

scurtcircuit este sesizată de

protecția maximală de curent

care inițiază întreruperea

curentului prin acționarea

întreruptoarelor.

tF – momentul apariției scurtcircuitului

tA – momentul apariției curentului de șoc (în general după o jumătate de perioadă de la producerea scc)

t1 – momentul în care comanda de deschidere este transmisă dispozitivului de acționare al întreruptorului

t2 – momentul în care contactele întreruptorului se separă și apare arcul electric

t3 – momentul stingerii arcului

tB – momentul valorii maxime a curentului care precede stingerea arcului

t1 – timpul propriu de reacție al protecției maximale de curent (fără temporizare)

t2 – timpul propriu de acționare al întreruptorului

t3 – durata arcului în dispozitivul de stingere

17

Factorul μ depinde de timpul minim de deconectare, tmin şi

de raportul I"k/ING, ING - curentul nominal al generatorului.

Valorile factorului μ în cazul turbogeneratoarelor cuplate la

medie tensiune, a generatoarelor cu poli aparenţi şi

compensatoarelor sincrone având excitaţie rotativă sau

statică se pot aproxima cu următoarele relaţii:

μ = 0,84 + 0,26 NGk I/-0,26I"

e tmin = 0,02 s

μ = 0,71 + 0,51 NGk I/-0,30I"

e tmin = 0,05 s

μ = 0,62 + 0,72 NGk I/-0,32I"

e tmin = 0,10 s

μ = 0,56 + 0,94 NGk I/-0,38I"

e tmin 0,25 s

Curentul de rupere în cazul defectului aproape de generator se poate determina:

a) Conform CEI 60909 folosind un factor de decrement

k r I μ I

b)-utilizând curbe de calcul pentru diferite tipuri de generatoare

18 RAT – regulator automat de tensiune

19

20

Curbele au fost întocmite pentru cele două tipuri de generatoare turbo- respectiv

hidrogeneratoare, cu sau fără regulatoare automate de tensiune (RAT).

Utilizare:

1) se calculează reactanţa echivalentă a reţelei văzută de la locul defectului (în unităti

relative) – x*C

b

kCcalcul

X

Xxx *

b

b

bS

UX

2

b

b

bU

SI

3

Sb, Ub, Ib – sistemul mărimilor de bază (valori constante la care se face raportarea)

2) se citeşte din grafic valoarea raportului

bkt IIK /

de pe curba corespunzătoare momentului de timp pentru care se doreşte evaluarea

valorii efective a componentei periodice.

3) valoarea efectivă a componentei periodice a curentului de scurtcircuit după t-secunde

de la producerea defectului se calculează ca fiind bttk IKI ,

21

Capacitatea de rupere nominală la scurtcircuit

(caracteristică nominală pentru un întreruptor)

Valoarea efectivă a celui mai mare curent de scurtcircuit pe care întreruptorul trebuie

să îl poate întrerupe în condiţiile de utilizare şi funcţionare prescrise.

Capacitatea de rupere se determină pe oscilograma curentului de scurtcircuit

întrerupt, în momentul separării contactelor şi este caracterizată de două valori:

valoarea efectivă a componentei periodice (Ir)

valoarea componentei aperiodice în momentul separării contactelor r

ap

I

I

2

In legătură cu componenta aperiodică:

(a)-prezenţa ei determină creşterea solicitării termice a camerei de stingere

(b)-întârzie momentul trecerii prin zero a curentului îngreunând condiţiile de stingere

ale arcului.

22

A) Componenta periodică a capacităţii de rupere

se alege din seria R10:

12,5-16-20-25-31,5-40-50-63-80-100 kA

B) Componenta aperiodică: se evaluează cu relaţia

kT

T

e

min

100%

pentru timpul rdp ttT min

rt timpul cel mai scurt de actionare a protectiei (se calculează

din momentul în care protecţia prin relee sesizează apariţia

defectului până la recepţionarea comenzii de către dispozitivul de

acţionare al întreruptorului)

dpt durata proprie de deschidere a primului pol a întreruptorului

minT timp minim de deconectare (cel mai scurt timp între

începutul scurtcircuitului şi prima separare a contactelor unui pol al

aparatului de deconectare)

Dacă tr = 0 atunci Tmin = tdp

23

24

Stabilitatea termică în regim de scurtă durată

se verifică calculând curentul echivalent termic - Ith

Integrala de acţiune este o măsură a cantităţii de căldură dezvoltată prin efect Joule-

Lentz de circulaţia curentului de scurtcircuit printr-o rezistenţă

kthkk

T

k TITnmIdttik

22''

0

2 nmII kth ''

Ik'' - curentul iniţial de scurtcircuit (valoare efectivă)

Ith - curent echivalent termic

m - factor prin care se evaluează efectul termic al componentei aperiodice

n - factor prin care se evaluează efectul termic al componentei periodice

Tk - durata regimului de scurtcircuit

25

Factorul m în funcţie de produsul (f Tk)

Parametrul familiei de curbe este factorul de şoc (k)

f – frecvența (50 sau 60 Hz) , Tk – constanta de timp a rețelei

26

sT

X

R

TT

t

sock

k

k

kk eeek045.0

8.1111

2

Factorul de şoc pentru scurtcircuit cu asimetrie maximă (recapitulare)

pentru Tk = 0.045 s factorul de şoc

rezultă egal cu 1.8

t2 – timpul la care apare curentul de

șoc (a II-a rădăcină a derivatei

0.010 s) Conform CEI:

k

ksoc

X

Rk 3exp98.002.1

relaţie empirică reprezentată grafic în funcţie de raportul Rk ⁄ Xk sau Xk ⁄ Rk

A

B

Observație: 14045.0100045.0 k

k

k

k

kk T

R

L

R

XsTpentru

În grafice sunt omiși indicii (k) și (șoc)

14

27

Factorul n ca funcţie de durata scurtcircuitului

Parametrul familiei de curbe este raportul

dintre curentul iniţial de scurtcircuit şi

curentul permanent