Descarcatoare

DESCARCATOARE

Descarcatoarele sunt aparate de protectie care pe langa functia principala de limitare a supratensiunilor sunt capabile sa reduca curentul de insotire la valori pentru care spatiul disruptiv devine izolant, fiind prevazute cu dispozitive speciale de stingere a arcului electric, imediat ce tensiunea a revenit la valori nepericuloase pentru instalatie .

Rolul functional al descarcatorului electric este de a limita supratensiunile atmosferice si de comutatie intr-o instalatie electrica. Descarcatorul se monteaza la intrarea in statiile electrice intre faza si pamant si in punctele in care linia isi modifica impedanta caracteristica.

Pentru protectia la supratensiuni atmosferice a liniilor electrice se folosesc pe langa descarcatoare si eclatoare care sunt mai simple constructiv (si deci mai ieftine) dar nu contin elemente de stingere a arcului electric si deci utilizarea lor este posibila doar alternant cu descarcatoare.

1. Eclatoare electrice

Eclatoarele sunt cele mai simple aparate de protectie impotriva supratensiunilor. Ele se compun din 2 electrozi metalici, unul legat la partea aflata sub tensiune si celalalt la pamant, uneori cu posibilitatea reglarii intevalului disruptiv. Eclatoarele se folosesc la protectia izolatoarelor de portelan pentru a evita conturarea lor si se pot realiza sub forma eclatoarelor cu coloane, eclatoare cu tija si cu inele de protectie.

Eclatoarele sunt elemente componente ale descarcatoarelor constituind spatiul disruptiv al acestora si asigurand separarea partii sub tensiune de cea legata la potentialul pamantului. Stingerea arcului electric datorita curentului de insotire i_S este naturala, prin alungire, datorita interactiunii curentului din arcul electric cu propriul camp magnetic.

Figura 3.35. Variante constructive de eclatoare.

a) Eclator cu coarne, b) Eclatoare cu tija de descarcare, c) Eclatoare cu inele de protectie.

Eclatoarele, avand o amorsare intarziata, unda de tensiune poate patrunde in instalatie inainte ca eclatorul sa intervina. Din aceasta cauza eclatoarele au o raspandire limitata in retelele de medie tensiune, mai ales pentru protectia posturilor de transformare si in tractiunea electrica in curent continuu.

De asemenea eclatoarele au neajunsul ca provoaca scurtcircuite cu punere la pamant, nefiind capabile sa intrerupa curentul de insotire. Acest lucru provoaca scoaterea de sub tensiune a instalatiei si taie unda de impuls a supratensiunii, producand si solicitari dielectrice suplimentare.

2 Principiul de functionare al descarcatoarelor electrice

Principalele elemente constructive ale unui descarcator sunt prezentate in figura 3.36.

Figura 3.36. Principiul de functionare a unui descarcator cu rezistenta variabila

1-coloana de eclaroare; 2-rezistenta neliniara cu rol de divizor de tensiune;

3- rezistenta neliniara principala; A,B-bornele aparatului.

Coloana de eclatoare, a caror numar depinde de tensiunea nominala a retelei. Pentru retelele de joasa tensiune descarcatorul are un singur eclator.

Rezistentele neliniare, care asigura repartizarea tensiunii in mod uniform pe spatiile disruptive.

Rezistenta neliniara principala, formata din inserierea mai multor discuri realizate din carbura de Si sau oxid metalic (ZnO 90%; Bi₂O₃ ; CoO).

Anvelopa din portelan, care contine 1, 2, 3.

3. Variante constructive de descarcatoare

Variantele constructive de descarcatoare depind de tensiunea nominala si de felul retelei.

Pentru retelele de joasa tensiune (U_n<1000 V) descarcatorul are un singur eclator.

Figura 3.37. Eclatorul unui descarcator de joasa tensiune.

1,3-electrozi de Am; 2-saiba izolanta pe baza de mica.

Pentru retelele de medie tensiune (1÷35 kV) eclatorul este inglobat in re­zistenta neliniara, care functioneaza ca un divizor de tensiune, asigurand o repar­tizare egala a tensiunii pe intervalele disruptive. In regim normal de functionare, la tensiunea nominala, in absenta unei supratensiuni, datorita repartitiei neuni­for­me a intensitatii campului electric se realizeaza o stare de preionizare in zone imediat apropiate intervalelor disruptive.

Figura 3.38. Eclator cu rezistente de uniformizare pentru un descarcator de medie tensiune.

1- electrod; 2-rezistenta neliniara; 3-canal de expandare; 4-spatiu preionizat.

Pentru tensiuni inalte si foarte inalte descarcatorul e construit din mo­du­le conectate in serie ca cel prezentat in figura 3.39. Modulul din figura este fo­losit la 8 . 10 kV si este prevazut cu suflaj magnetic. Un asemenea modul cu­prin­de mai multe eclatoare de amorsare si stingere E_as, conectate in serie cu sub­ansamblul format din bobina de suflaj L si rezistenta neliniara R₁ si cu rezistenta neliniara principala R₂. Fiecare modul e suntat de rezistenta neliniara R₃, care a­sigura repartizarea uniforma a tensiunii pe module.

La tensiuni nominale U_n 245 kV fiecare modul este prevazut si cu con­densatori de capacitate C 50 . .100 pF, pentru a asigura o repartitie inca mai uniforma pe module. In principiu, prin constuctie este necesar sa se asigure re­partizarea uniforma a tensiunii pe eclatoarele unui modul si scoaterea de sub in­fluenta diferitelor cuplaje capacitive, a coloanei eclatoarelor in interiorul unui tub, care reprezinta rezistente.

Functionarea descarcatorului se poatre intelege din figura 3.39. in care este pre­zentata schema electrica si principiul de functionare.

In absenta unei supratensiuni, prin rezistenta R₃ trece un curent de ordinul miliamperilor. In momentul aparitiei unei supratensiuni se amorseaza arcul elec­tric in eclatoarele E_as, la tensiunea de amorsare u_a. Curentul de descarcare i_d trece prin rezistenta R₁ de suntare a bobinei B. Prin aceasta nu trece un curent impor­tant, deoarece impedanta ei este practic infinita pentru armonicele de frecventa inalta ale curentului de descarcare I_d. Acest curent parcurge si rezistenta neliniara principala R₂.

Tensiunea cea mai mare, dupa amorsare, la bornele descarcatorului este tensiunea reziduala u_r. Dupa conducerea la pamant a sarcinilor electrice, ecla­toa­rele isi conserva ionizarea, iar prin descarcator va trece, curentul de insotire I_i. Aceasta este limitat la cateva sute de amperi de catre rezistentele R₂. Curentul de insotire fiind de frecventa relativ redusa (50 sau 60 Hz), va trece prin bo­bi­nele de suflaj magnetic L. Acestea determina inductia magnetica B in zona ecla­toa­relor si astfel se dezvolta forte Lorentz, care imping arcul electric in camerele de stingere cu fanta ingusta si pereti reci.

Datorita racirii intense a arcului electric, tensiunea de ardere creste si in ce­le din urma arcul electic se stinge iar curentul de insotire este determinat de ten­siunea sursei si de impedanta buclei de scurtcircuit, in care intra si rezistenta arcului electric in eclatoare si rezistenta principala R₂.

Figura 3.39. Principiul de functionare a modului cu suflaj magnetic a unui descarcator de inalta tensiune.

Rezistentele variabile ale descarcatoarelor se realizeaza din carborund o car­bura de Si (SiC) obtinuta la temperatura arcului electric din reactia carbonului (C) cu nisipul de cuart (SiO₂). Materialul rezultat este spalat de Fe cu ajutorul aci­zilor, macinat, deferizat din nou cu ajutorul separatoarelor magnetice si sortat dupa granulatie. In aceasta stare materialul primeste un liant (sticla lichida), este aglomerat sub forma de discuri cu ajutorul presei hidraulice si apoi calcinat la aproximativ 600 C. Pentru a stabiliza neliniaritatea discurilor, se aplica cateva socuri (impulsuri de 10/20 ms) de amplitudine egala cu intensitatea nominala.

Pentru tensiuni continue relativ joase (U_n=1000 . .3000 Vc.c.) eclatorul este prevazut cu un sistem de suflaj magnetic care introduce arcul electric intr-o camera de stingere cu pereti reci si fanta progresiv ingustata in vederea stingerii, ca in fig 5.

Figura 3.40. Eclatorul descarcatorului de curent continuu.

1-magnet permanent, 2 si 3-electrozii eclatorului.

Performantele unui descarcator sunt determinate in mare masura de neli­nia­ritatea rezistentelor si precizia amorsarii si stingerii eclatoarelor.

Cu cat rezistentele sunt mai neliniare coducerea sarcinilor electrice la pa­mant, sub forma curentului de impuls, este mai rapida, iar in etapa finala a vehicularii sarcinilor electrice, cand intensitatea curentului este redusa, rezis­ten­ta ia valori mari, ceea ce favorizeaza stingerea arcului electric. Precizia la amor­sare si stingere a eclatoarelor se obtine printr-un control riguros al tensiunii ce revine fiecarui eclator. Practic, acest control se realizeaza cu ajutorul divizoa­re­lor capacitive, rezistive sau mixte.

Descarcatoare cu rezistenta variabila (DRVS), sunt aparate moderne pen­tru protectia impotriva supratensiunilor externe cat si impotriva celor interne.

Figura 3.41. Descarcator cu rezistenta variabila DRVS.

Conform figurii 3.41. elementele componente ale descarcatorului DRVS sunt:

A - coloana de eclatoare in paralel pe care se gasesc rezistentele de sun­tare R₁ R_k cu rolul de a realiza uniformizarea campului electric in eclatoare;

B - coloana de rezistente variabile formate din mai multe discuri din car­bura de siliciu cu caracteristica volt-amperica mare;

C - anvelopa de portelan ce protejeaza eclatoarele si rezistentele neliniare de influenta temperaturii si adaltor factori atmosferici.

Pentru a evita explozia anvelopei capacele de etansare se monteaza cu sif­turi care se foarfeca la aparitia unei presiuni prea mari descarcatorul functionand ca o supapa de siguranta.

Functionarea descarcatorului DRVS consta in amorsarea coloanei de ecla­toare in cazul aparitiei unei supratensiuni care depaseste nivelul de izolatie al des­carcatorului, conducerea la pamant a curentului de scurgere care limiteaza su­pratensiunea din instalatie iar in final stingerea arcului electric. Stingerea este determinata de rezistenta neliniara, a carei valoare creste pe masura ce valoarea supratensiunii scade, permitand intreruperea curentului de insotire la prima sa trecere prin 0. Mentionez ca curentul de conductibilitate prin coloana de rezis­ten­ta de suntare si rezistenta neliniara la tensiunea nominala este neglijabil (400 . 600mA).

O alta varianta moderna de descarcatoare este Descarcatorul cu rezisten­ta nelineara din oxizi metalici pe baza de ZnO, Bi₂O₃ ,CoO care permit realiza­rea unui descarcator fara eclator. Dificultatea care a fost rezolvata a constat in mentinerea curentului de regim permanent prin rezistenta nelineara la valori ac­ceptabile (mA). La cresterea tensiunii (supratensiuni atmosferice sau de comuta­tie) din cauza nelinearitatii accentuate a rezistentei, aceasta trece in stare de conductie si astfel se limiteaza tensiunea la borne.

4. Marimile caracteristice ale unui descarcator

Conform normativelor principalele marimi caracteristice ale unui descarcator sunt:

Tensiunea nominala, care se alege in functie de tensiunea de serviciu a liniei si de coeficientul de punere la pamant. Tensiunea nominala a descarcatoru­lui trebuie sa fie usor superioara tensiunii fazelor sanatoase in situatia punerii la pa­mant a unei faze.

Tensiunea de amorsare la unda 1,2/50 ms . Aceasta tensiune poate fi de­finita prin relatia:

(3.35)

unde: n -numarul eclatoarelor conectate in serie,

u_a1- tensiunea de amorsare a unui eclator.

Tensiunea reziduala, care este definita prin relatia :

(3.36)

unde : u_ri- tensiunea reziduala individuala a unui disc,

m - numarul discurilor care formeaza rezistentele descarcatorului.

Tensiunea de amorsare pe frontul undei in 1,2/50 ms, adica aceea ten­si­une care divizata cu 1,15 are valori apropiate dde tensiunea reziduala si cons­ti­tu­ie nivelul de protectie. Raportul intre nivelul de tinere la unda 1,2/50 ms si nive­lul de protectie trebuie sa fie minim 1,2. Pentru supratensiunea de comutatie (unda 250/2500ms) acest raport este de 1,15.

Curentul nominal este curentul maxim de impuls 10/20 ms, care se poate repeta fara a deteriora descarcatorul. Valori nominalizate pentru acest curent sunt de 5 kA si de 10 kA. La aceasta se asociaza curentul singular pe care il suporta un descarcator.

Curentul de insotire poate ajunge la 1000 A iar durata lui se poate pre­lungi pana la cateva ms. La descarcatoarele moderne tensiunea maxima obtinuta la trecerea curentului de insotire nu depaseste de 2÷3 ori din tensiunea nominala a descarcatorului.

Tensiunea maxima de functionare in regim permanent U_c, este cea mai mare tensiune pe care descarcatorul o poate accepta in regim permanent fara a suferi degradari functionale.

Rezistenta la supratensiune temporara U_s la frecventa industriala, defi­nita prin:

(3.37)

Capacitatea de absortie de energie, definita prin relatia:

(3.38)

s-a notat cu: W -energia totala, transformata in caldura de catre rezistenta nelineara a descarcatorului.

j) Tensiunea reziduala (de rest) este tensiunea care apare la bornele descarcatorului la trecerea unui curent de impuls de 8/20 ms si amplitudinea 10kA si reprezinta si nivelul de protectie.