CAPITOLUL 4

PROTECŢIA LINIILOR ELECTRICE

PROTECŢIA LINIILOR RADIALE

4.1 CONSIDERAŢII GENERALE

Majoritatea defectelor din instalaţiile electrice apar în primul rând la liniile electrice aeriene (datorită ariei geografice mari şi condiţiilor în care funcţionează) şi în al doilea rând la cele în cablu. Defectele, constând în deteriorarea izolaţiei, pot fi datorate îmbătrâniri izolaţiei în timp a acesteia sau unor cauze exterioare (supratensiuni atmosferice, spargerea izolatoarelor, ruperea conductoarelor şi atingerea acestora între ele sau cu pământul etc.).

Protecţia liniilor din reţelele electrice este mai complicată decât a echipamentelor din centrale şi staţii, deoarece tipul şi schema protecţiei adoptate depind de un număr foarte mare de factori cum ar fi: configuraţia reţelei (radială, buclată, complexă, cu staţii în derivaţie, paralele, etc.), importanţa liniei în cadrul sistemului energetic, modul de tratare a neutrului, influenţa defectelor de pe linie asupra stabilităţii sistemului, tensiunea reţelei, prevederea declanşărilor monofazate sau trifazate, existenţa sau absenţa dispozitivelor RAR, posibilitatea funcţionării cu o fază întreruptă, etc.

Condiţia principală pe care trebuie să o îndeplinească protecţia reţelelor electrice este aceea de a limita la minimum efectele unui defect pe o linie aeriană sau în cablu, asupra funcţionării restului sistemului – ceea ce impune în majoritatea cazurilor o funcţionare rapidă – acţionând astfel încât defectele să fie lichidate cu întreruperea unui număr minim de consumatori. Această ultimă condiţie reclamă o selectivitate ridicată a protecţiei, problema deteriorării echipamentului principal din centrale şi staţii nepunându-se în mod acut, întrucât defectele pe linii nu provoacă de regulă deteriorări grave.

Deci protecţiile reţelelor trebuie să realizeze aceste condiţii principale ale selectivităţii şi rapidităţii.

După cum se ştie orice scurtcircuit este însoţit de creşterea curentului în partea de reţea care alimentează defectul şi scăderea tensiunii în reţea. Pe sesizarea şi prelucrarea acestor variaţii, în scopul determinării locului şi caracterului defectului, se bazează în general funcţionarea protecţiilor reţelelor electrice [8, 13].

4.2 PROTECŢII PREVĂZUTE

Reţelele radiale au cea mai simplă configuraţie posibilă şi datorită acestui fapt selectivitatea se poate obţine uşor.

Liniile radiale se prevăd cu protecţii împotriva scurtcircuitelor polifazate şi a scurtcircuitelor monofazate (în reţelele cu curenţi mari de punere la pământ). În reţelele cu curenţi mici de punere la pământ (reţelele de medie tensiune), se prevăd protecţii împotriva dublelor puneri la pământ şi a punerilor monofazate la pământ (vezi cap. 5). În majoritatea cazurilor, împotriva defectelor între faze şi a dublelor puneri la pământ se prevăd protecţii maximale cu acţionare rapidă şi cu protecţii maximale cu acţionare temporizată. Împotriva punerilor (respectiv scurtcircuitelor) monofazate la pământ se folosesc protecţii maximale homopolare rapide şi temporizate.

În anumite cazuri se folosesc protecţii de distanţă, iar pentru cabluri se utilizează uneori protecţii diferenţiale.

La liniile radiale, protecţiile se instalează la capătul dinspre alimentare [12].

4.3 PROTECŢIA MAXIMALĂ DE CURENT TEMPORIZATĂ

4.3.1 Protecţia maximală cu caracteristică independentă

Reţeaua electrică cea mai simplă este reţeaua radială care constă din linii alimentate de la un singur capăt. În fig 4.1 este reprezentată o porţiune dintr-o reţea radială în care de la barele staţiei pleacă o serie de linii, având fiecare un singur consumator la capăt [8].

Protecţia folosită în general în asemenea reţele este cea maximală de curent. Aceasta acţionează în cazul creşterii peste o anumită valoare a curentului pe linia protejată.

Protecţia maximală temporizată se realizează cu ajutorul releelor maximale de curent asociate cu relee de timp formând protecţia maximală de curent temporizată.

49

Fig.4.1 Reţea radială simplă

Protecţia maximală de curent temporizată poate fi o protecţie de bază sau de rezervă împotriva scurtcircuitelor între faze pe liniile radiale.

Conform normativului [76], împotriva scurtcircuitelor între fazele unei linii radiale se prevede o protecţie maximală de curent cu o singură treaptă temporizată, aceasta fiind protecţia de bază a liniei. Se admite ca protecţia împotriva scurtcircuitelor între faze să fie realizată în două trepte de timp în următoarele cazuri:

dacă temporizarea rezultată este atât de mare încât perturbă funcţionarea consumatorilor alimentaţi din alte linii vecine cu cea defectă;

dacă prin valoarea ridicată a temporizării se micşorează eficacitatea reanclanşării automate sau a anclanşării automate a rezervei pentru consumatorii alimentaţi de linia respectivă;

dacă fără introducerea unei trepte rapide rezultă pentru protecţiile de rezervă ale transformatoarelor care alimentează linia (cu tensiune superioară de 110 kV sau mai mult) timpi de acţionare care depăşesc 3 s.

În cazul unei linii radiale cu mai multe staţii coborâtoare (fig. 4.2), protecţiile maximale trebuie însă prevăzute cu o temporizare a acţionării. În cazul defectării liniei DE ar trebui să declanşeze numai întrerupătorul D. Deoarece în asemenea caz curentul de scurtcircuit trece prin toate porţiunile de linie este evident că numai criteriul creşterii curentului nu este suficient pentru a asigura o declanşare selectivă corectă şi este necesară şi temporizarea acţionării.

Alegându-se temporizările astfel încât protecţia întrerupătorului D să aibă timpul de acţionare cel mai scurt şi pe măsura apropierii de sursă timpul de acţionare să crească, se obţine o acţionare selectivă a protecţiei.

În acest fel se realizează protecţia maximală temporizată în trepte. Valoarea treptei de timp se alege astfel încât să existe siguranţa declanşării numai a întrerupătorului liniei defecte şi nu şi a celui dinaintea acestuia (spre sursă). În practică, în funcţie de calitatea releelor şi a întrerupătoarelor folosite, treapta de timp a protecţiei maximale temporizate este de 0,4 – 0,6 s.

50

AB C D

E

Fig.4.2 Linie a unei reţele radiale, cu mai multe staţii coborâtoare

Protecţia are dezavantajul că tocmai în apropierea surselor, unde defectele sunt însoţite de valori mari ale curenţilor de scurtcircuit, rezultă temporizări mari.

Protecţia maximală temporizată descrisă mai sus se mai numeşte şi protecţiemaximală cu caracteristică independentă, datorită faptului că temporizarea cu care acţionează este constantă şi independentă de valoarea curentului de defect (fig.4.3).

Protecţia maximală cu caracteristică independentă se compune dintr-un element de pornire (un releu maximal de curent cu acţionare instantanee) şi un element de temporizare (un releu de timp care creează temporizarea dorită) care acţionează numai dacă elementul de pornire este excitat şi îşi menţine contactele închise (fig.4.4).

Valoarea curentului de pornire al protecţiei maximale se alege, astfel încât acesta să nu conducă la declanşări nedorite, sub influenţa curentului de sarcină maxim posibil. Pornindu-se de la acest principiu, formula de alegere a curentului de pornire al protecţiei maximale cu caracteristică independentă este:

unde : Isarc. max este curentul de sarcină maxim posibil al liniei respective;krev - coeficientul de revenire al releului (care este subunitar); pentru releele de

curent de regulă krev = 0,85.ksig – coeficientul de siguranţă, care se alege de 1,15 – 1,25 şi ţine seama de

erorile posibile în funcţionarea releului.Ţinând seama de valorile de mai sus se obţine:

51

I I I T

-

++++

Protecţie maximală temporizatăI

Fig.4.4 Schema de principiu a protecţiei maximale temporizată cu caracteristică independentă

TC

Diagrama de funcţionare eşalonată în timp a protecţiei pentru o reţea se prezintă în fig.4.5. În acest exemplu s-a considerat că timpul de acţionare al protecţiei cu temporizarea minimă din D este de 0,1 s, iar treapta de timp este de 0,5s.

Din această diagramă se poate determina temporizările cu care sunt deconectate defectele apărute pe diferitele porţiuni ale sectorului de reţea. De exemplu se observă că un defect apărut pe porţiunea BC este eliminat prin declanşarea întrerupătorului din B în 1,1s. Totodată deasupra caracteristicii din B trece caracteristica de declanşare din A care acţionează la 1,6s.

Rezultă că dacă dintr-o cauză oarecare refuză să declanşeze întrerupătorul din B, defectul este deconectat de protecţia întrerupătorului din A, cu o temporizare de 1,6 s. Dacă nici aceasta nu ar funcţiona, ar declanşa întrerupătorul din A1, în 2,1 s.

Se constată deci că, în afara protecţiei destinate lichidării defectelor apărute pe linie, mai există şi o serie de protecţii, care intervin atunci când prima nu funcţionează şi care reprezintă protecţii de rezervă ale acesteia. Acest gen de rezervă este denumită rezervă de la distanţă şi este foarte eficientă întrucât este complet independentă de instalaţia în care a avut loc refuzul de acţionare, refuz care adesea are loc datorită bateriei de acumulatoare, TC sau întrerupătorului.

Din diagramă se observă că, cu cât ne apropiem se sursă, cu atât lichidarea defectelor se face cu o temporizare mai mare. De asemenea, cu cât defectul este mai

52

B C

EA

0,1

0,6

1,1

1,6

2,1

A1 A B C D E

t(s)

DA1

Fig. 4.5. Diagrama de acţionare a protecţiilor unui sector de reţea

apropiat de sursa de energie, cu atât curentul de scurtcircuit este mai mare şi deci solicitările instalaţiilor sau deteriorările produse sunt mai mari.

Aceasta constituie principalul dezavantaj al protecţiei maximale de curent cu caracteristică independentă şi de aceea chiar în reţelele radiale simple, adesea protecţia respectivă nu poate fi folosită sau, în orice caz, nu poate constitui unica protecţie a liniilor.

4.3.2 Protecţia maximală temporizată cu caracteristică dependentă

Aceste protecţii se realizează prin relee maximale de inducţie a căror acţionare se produce cu o temporizare cu atât mai mică cu cât curentul este mai mare.

Diagrama de acţionare (timpul de acţionare în funcţie de curentul de pornire) a releelor de acest tip este foarte apropiată de o hiperbolă. În general pentru majoritatea releelor maximale de inducţie diagrama se alege din construcţie, astfel încât timpul de acţionare să scadă cu creşterea curentului numai până la o anumită valoare, peste care oricât ar creşte curentul timpul de acţionare rămâne constant (fig.4.6a). Acestea sunt aşa – numitele relee cu caracteristică limitat dependentă.

De asemenea se obişnuieşte să se prevadă la aceste tipuri de relee un contact care se închide instantaneu, dacă valoarea curentului este foarte mare; această valoare a curentului la care se produce acţionarea netemporizată, este reglabilă. Caracteristica de acţionare a unui asemenea releu este indicată în fig. 4.6b.

Aceste relee sunt mai rar utilizate datorită dificultăţii lor de reglaj.

53

ta

Ia

Partea dependentăa caracteristicii

Partea independentăa caracteristicii

Ip

ta

Ia

Parteadependentă

Partea indepen-dentă

Declanşareinstantanee

Ip

a) b)

Fig. 4.6 Caracteristicile de acţionare ale releelor maximale de inducţie a)- caracteristica limitat – dependentă; b) – caracteristica releului având şi un contact netemporizat.

4.4 PROTECŢIA MAXIMALĂ RAPIDĂ (SECŢIONARE DE CURENT)

Soluţia deconectării cât mai rapide cu cât defectele sunt mai apropiate de surse, constă în folosirea unor protecţii maximale rapide (secţionare de curent). Această protecţie este realizată tot cu relee maximale cu caracteristică independentă, dar la care curentul de pornire al protecţiei se calculează în funcţie de curentul maxim de scurtcircuit la un defect în exteriorul zonei protejate.

Din diagrama curenţilor de scurtcircuit pe o linie (fig.4.7), se observă posibilitatea realizării unei protecţii rapide al cărui curent de acţionare să fie reglat astfel încât protecţia să nu acţioneze în cazul defectelor situate dincolo de capătul liniei protejate şi prin aceasta, să nu existe pericolul unei declanşări neselective.

În cazul unei linii de impedanţă ZL, expresia curentului de scurtcircuit supratranzitoriu într-un punct al liniei în care impedanţa acesteia este αZL, este

(4.3)unde α [0,1] reflectă poziţia punctului de scurtcircuit pe linie, iar este reactanţa supratranzitorie a generatorului sincron (GS).

Curentul maxim de scurtcircuit în punctul B (α =1) are forma

(4.4)

Pentru ca protecţia să nu acţioneze neselectiv la defecte exterioare (la dreapta punctului B), este necesar ca curentul de pornire al protecţiei din punctul A să fie

54

A

Ed,

B

Ipp

I”sc max

I”sc

Ipp

Zonă protejatăZonămoartă

K

L2L1

C

Fig. 4.7 Variaţia curentului de scurtcircuit în funcţie de depărtarea de sursă, pe o linie radială şi alegerea curentului de pornire al protecţiei cu secţionare de curent

GS

CL

ZL

mai mare decât , aceasta putând să acţioneze rapid (în zero sec.), sesizând numai defectele de pe linia proprie.

Ţinând seama de erorile în funcţionarea releului şi în determinarea curentului de scurtcircuit, curentul de pornire se determină prin înmulţirea curentului de scurtcircuit din punctul B, cu un coeficient de siguranţă supraunitar. Rezultă astfel, pentru curentul de pornire al protecţiilor cu secţionare de curent, formula:

(4.5)unde

- este coeficientul de siguranţă, egal cu 1,2...1,3 când secţionarea este realizată cu relee de curent cu caracteristică independentă;

- = 1,4 ÷ 1,5 când secţionarea se realizează cu relee de curent cu caracteristică dependentă.

- – este curentul de scurtcircuit maxim (valoarea supratranzitorie a componentei periodice) la un defect trifazat în regim maxim pe sistemul de bare B dinspre consumator.

Protecţia cu secţionare de curent nu protejează întreaga linie, ci doar o porţiune a ei cu atât mai mare cu cât coeficientul de siguranţă este mai mic şi cu cât curba care reprezintă variaţia curentului de scurtcircuit este intersectată de dreapta care corespunde curentului Ipp este mai aproape de capătul opus al liniei. Se observă că secţionarea de curent are o zonă moartă în care defectele sunt lichidate de altă protecţie [5, 8].

În general în practică această protecţie se foloseşte împreună cu o alta, care în cazul reţelelor simple este o protecţie maximală temporizată cu caracteristică independentă.

Această a doua protecţie trebuie aleasă astfel încât să se asigure sensibilitatea necesară conform normelor (1,5 pentru linia proprie şi 1,2 pentru liniile din aval).

Secţionarea de curent are avantajul de a asigura a protecţie simplă, rapidă şi selectivă a porţiunii liniei dinspre alimentare, prezentând totodată dezavantajul zonei moarte. Pentru ca protecţia să fie eficace, trebuie ca zona protejată să acopere cel puţin 30% din lungimea liniei [76].

4.5 PROTECŢIA MAXIMALĂ DE CURENT DIRECŢIONALĂ

4.5.1 Principiul şi diagramele de funcţionare

55

Principalul dezavantaj al protecţiei maximale constă în domeniul ei limitat de folosire, fiind utilizată numai la liniile radiale cu alimentare de la un singur capăt.

În cazul liniilor cu alimentare din ambele capete (fig.4.8a), selectivitatea protecţiilor maximale nu mai poate fi obţinută numai prin intermediul temporizărilor în trepte, deoarece pentru temporizarea unei protecţii s-ar obţine condiţii contradictorii din coordonarea cu temporizările protecţiilor de pe liniile vecine, întrucât nu este posibil ca temporizările să crească de la fiecare protecţie spre ambele surse [13].

Într-adevăr, oriunde s-ar produce un defect, toate protecţiile fiind parcurse de curentul de scurtcircuit, defectul va fi izolat atât dinspre stânga, cât şi dinspre dreapta lui, prin acţionarea protecţiilor care au timpii cei mai mici. Deci niciodată defectul nu va fi izolat selectiv, declanşând întotdeauna numai întrerupătoarele din staţiile B şi D care au timpii cei mai mici, întrerupând astfel toate staţiile intermediare (fig.4.8b).

În acest sens pentru realizarea selectivităţii, este necesară introducerea unui criteriu pe baza căruia să se producă declanşarea, în afara celui de curent. Acesta este sensul în care circulă curentul (sau puterea spre defect). Într-adevăr dacă fiecărei protecţii maximale i se adaugă un releu direcţional care sesizează sensul puterii care circulă spre defect şi blochează acţionarea dacă acesta circulă spre barele staţiei,

56

A DB C E

0,1

0,6

1,1

1,6

0,1

0,6

1,1

1,6

t

t

1,6” 0,1” 1,1” 0,6” 0,6” 1,1” 0,1” 1,6”

a)

b)

Fig. 4.8 Protecţia unui sector de reţea alimentat din două părţi: a) – schema reţelei; b)- diagrama de acţionare a protecţiilor.

permiţând acţionarea numai când puterea circulă dinspre bare spre linie, se obţine selectivitatea dorită. În cazul oricărui defect vor putea declanşa numai întrerupătoarele prin care puterea circulă spre defect de la bare spre linie.

Se observă că folosirea releelor direcţionale permite realizarea protecţiei unei linii alimentate de la ambele capete ca şi în cazul reţelelor radiale alimentate de la un singur capăt, adoptând temporizări în trepte crescătoare spre cele două surse [8].

Acest mod de reprezentare se foloseşte întotdeauna pentru reţelele în care defectele trebuiesc izolate din două sensuri.

Schema de principiu a protecţiei maximale direcţionale a unei linii este reprezentată în fig.4.9.

După cum se vede pentru ca releul de timp T să fie excitat şi să comande declanşarea întrerupătorului I, este necesar ca atât curentul să depăşească valoarea reglată şi deci releul maximal I să-şi închidă contactele, cât şi sensul de scurgere a puterii de scurtcircuit să fie spre linie, şi deci releul direcţional să-şi închidă contactele

4.5.2 Relee direcţionale

4.5.2.1 Principiul de funcţionare

57

I T

-

++

I

Fig.4.9. Schema de principiu a protecţiei maximale direcţionale a unei linii

De la TT ale liniei sau barelor

Un releu direcţional este destinat să sesizeze variaţii importante ale defazajului curentului în raport cu tensiunea într-un anumit punct al reţelei, acţionând când acest defazaj se modifică cu aproximativ 1800 în raport cu valoarea din regimul normal de funcţionare.

Releul direcţional împarte domeniul 2 radiani al defazajelor ale curentului Ir faţă de tensiunea Ur în două subdomenii (un subdomeniu de lucru şi unul de blocaj) şi anume, pentru:

1 2 (4.6)

unde 2 - 1 = , releul acţionează, iar pentru: 2 1 + 2 (4.7)releul nu acţionează.

Releele direcţionale, numite şi relee de putere (sau de sens al puterii), se conectează ca în fig. 4.10a şi realizează caracteristica de acţionare din fig. 4.10b.

Releele direcţionale în construcţie clasică pot fi electromecanice (de inducţie) sau statice (electronice). Un releu direcţional de inducţie conţine, un circuit magnetic cu două bobine de curent şi tensiune, şi un rotor din aluminiu în care apare un cuplu de acţionare:

M = k Ur Ir cos (r + ) (4.8)

unde: Ur şi Ir sunt tensiunea, respectiv curentul aplicate releului;r – unghiul dintre vectorii acestor două mărimi;k - un factor de proporţionalitate care depinde de caracteristicile constructive ale releului. - unghiul intern al releului, cu valori reglabile în trepte între 0 şi /2.Pentru

M 0, cos (r + ) 0 (4.9)deci rezultă

58

Ur

Ir

TT

TCIp

Up

+/2-/2

r

Ur

Ir

P 0

P 0

Zonă de blocare

Zonă de acţionare

a) b)

Fig. 4.10 Schema de conectare a) şi caracteristica releului direcţional b)

- /2 r + /2 sau - /2 - r /2 - (4.10)iar releul îşi închide contactele.

Pentru M 0, cos (r + ) 0 (4.11)deci rezultă - /2 r + 3/2 sau - /2 - r 3/2 - (4.12)iar echipajul mobil tinde să se rotească în sens invers celui anterior şi deci îşi menţine contactele deschise. Deci condiţia de acţionare a unui releu direcţional este:

Ur Ir cos (r + ) 0 (4.13)

Se observă că Ur Ir cos (r + ) este expresia unei puteri şi se poate spune că releul îşi închide sau nu contactele, după cum această putere (fictivă) este pozitivă sau negativă. Din acest motiv, releele direcţionale se mai numesc şi relee de putere.

Această putere fictivă nu este puterea care se scurge spre locul de defect, dar sensul ei corespunde sensului de scurgere a puterii de scurtcircuit.

Trebuie subliniat faptul că protecţiile direcţionale acţionează sau nu, numai în funcţie de valoarea defazajului r.

Unghiul intern al releului, diferă după tipurile constructive ale releelor şi se alege în funcţie de destinaţia acestora.

Spre deosebire de releele maximale, la care pentru a se produce acţionarea este necesar ca un singur parametru (curentul) să depăşească o anumită valoare, la releele direcţionale concură trei parametri (tensiunea, curentul şi unghiul dintre acestea) pentru a se obţine cuplul necesar acţionării. Orientarea corectă a releului direcţional este cu atât mai sigură cu cât cuplul este mai mare. Spre deosebire de releele maximale, valoarea necesară a cuplului nu se reglează în exploatare, ci se caută pe cale constructivă ca ea să fie cât mai mică (micşorându-se frecările), pentru ca să se obţină o sensibilitate cât mai mare a releului.

Releul direcţional are sensibilitatea maximă (cuplul de acţionare este maxim) pentru:

cos (r + ) = 1; r + = 0 ; r = - (4.14)Unghiul r = - , pentru care cuplul releului direcţional (pentru o tensiune şi

un curent dat) este maxim, se mai numeşte şi unghi de sensibilitate maximă al releului.

Rezultă că, pentru a fi asigurată sensibilitatea maximă a releului direcţional, unghiul intern trebuie să fie egal şi de semn opus defazajului r al curentului faţă de tensiune, corespunzător defectului pentru care a fost prevăzută protecţia direcţională.

În fig. 4.11, este prezentată diagrama de acţionare a unui releu direcţional de un tip particular şi anume releul wattmetric, a cărui condiţie de acţionare este UrIrcosr 0.

59

În fig. 4.11a considerând ca origine de fază vectorul Ur rezultă că pentru orice vector Ir situat în zona nehaşurată (care face cu Ur un unghi în valoare absolută mai mic decât /2), cuplul este pozitiv şi releul îşi închide contactele. Dar pentru Ur şi Ir

daţi, acest cuplu este maxim dacă Ir este în fază cu Ur şi descreşte pe măsură ce Ir se defazează faţă de Ur devenind nul pentru un defazaj de /2, adică la marginea zonei nehaşurate. Pentru r = /2 cuplul este nul şi releul nu-şi închide contactele, oricât de mari ar fi Ur şi Ir.

În fig. 4.11b este prezentată diagrama de acţionare a unui releu cu ecuaţia de acţionare UrIr cos (r + 450) 0. Pentru r = - 450 (unghiurile pozitive se măsoară de la curent spre tensiune în sens trigonometric) cuplul este maxim; el scade până la zero pentru r = 450 (deoarece 450 +450 = 900) şi pentru r = - 1350 (deoarece -1350 + 450

= 900) [5, 8, 23].

4.5.2.2. Relee direcţionale statice

Releele direcţionale statice (electronice) prezintă avantajul unei sensibilităţi mai ridicate (zona moartă de tensiune este mult mai redusă iar puterea de acţionare este mai mică) în raport cu cele electromecanice.

Unul din relee direcţionale statice construite pe principiul “balanţei electrice”, realizat în ţara noastră este releul direcţional tip RDC.

Schema de principiu a acestui releu este prezentat în fig. 4.12.Din figură se observă că puntea redresoare P1 este alimentată cu o tensiune

proporţională cu suma vectorială a curentului I şi tensiunii U iar puntea redresoare P2

este alimentată cu diferenţa vectorială a aceloraşi mărimi. Obţinerea sumei şi diferenţei se realizează prin inserierea în mod corespunzător a înfăşurărilor secundare ale transformatoarelor T1 şi T2, luând în considerare polaritatea lor.

La ieşirile celor două punţi redresoare se obţin două tensiuni continui proporţionale cu mărimile absolute / I + U / şi / I – U /, care se aplică unui element polarizat sensibil montat în diagonala celor două punţi redresoare. Acesta este un

60

Cuplu maxim (sensibilit maximă)

Zona de blocare a releului

rUr

Ir

Zona de acţionare a

releuluiUr

M=0

450

r

M=0

Ur

Ir

a) b)

Fig. 4.11 Diagramele de acţionare ale releelor direcţionale: a)- unghi intern =00; b)- unghi intern = 450.

amplificator sensibil de curent continuu care are ca element de ieşire un releu intermediar.

Elementul polarizat acţionează atunci când este satisfăcută relaţia > (4.15)

Mărimile I şi U pentru un unghi între ele oarecare şi mărimile rezultante I + U şi I – U sunt prezentate în fig. 4.13.

Aplicând teorema lui Pitagora generalizată la triunghiurile din figura de mai sus,obţin expresiile mărimilor rezultante, care sunt:

(4.16) (4.17)

Condiţia de acţionare a releului este deci: >

(4.18)

Respectiv ridicând cele două expresii la pătrat:

I2 + U2 +2UI cos I2 + U2 – 2UI cos (4.19)

şi rezultă cos 0

61U

I + U

I

TC TT

FCSH FTSH

EPS

U

P1 P2

Fig. 4.12 Schema de principiu a releului direcţional RDC

*

I

Din ultima expresie rezultă că releul va acţiona pentru decalaje ale curentului

în raport cu tensiunea variind între -900 şi +900, cuplul maxim obţinându-se pentru cazul în care curentul este în fază cu tensiunea. Folosind aceeaşi schemă dar astfel încât în secundarul transformatorului TT să se obţină o tensiune decalată faţă de tensiunea U de alimentare a releului cu un unghi oarecare, se obţine drept expresie a condiţiei de acţionare

cos ( + ) 0. (4.20)Prin varierea unghiului se obţin relee cu diferite unghiuri interioare.

4.5.3 Scheme de conectare a releelor direcţionale

În cazul unui scurtcircuit, unghiul de scurtcircuit r (unghiul dintre tensiunea şi curentul de scurtcircuit) depinde de natura reţelei. La liniile aeriene el variază între 600 şi 800, dar poate fi mai mic în cazul defectelor însoţite de arc electric, iar la cablurile de medie tensiune între 00 şi 200.

Pe de altă parte, în cazul scurtcircuitelor, tensiunea scade mult pe faza defectă, devenind adesea nulă în cazul defectelor foarte apropiate.

Din acest motiv, pentru a se asigura şi în aceste condiţii orientarea justă a releului direcţional (ţinând seama de faptul că la scurtcircuite trifazate tensiunile scad foarte mult şi că aceste scurtcircuite sunt rare), releele sunt alimentate în general cu curentul de pe faza defectă şi cu tensiunea de pe altă fază.Astfel, în cazul scurtcircuitelor apropiate pe liniile aeriene, pentru orientarea

corectă a releelor direcţionale, acestea se alimentează cu curentul unei faze şi cu tensiunea între celelalte două. Alimentându-se releul de pe faza R cu curentul IR şi cu tensiunea UST între fazele S şi T, pentru ca acesta să acţioneze în cazul unui scurtcircuit în zona de sensibilitate maximă, se folosesc relee cu un unghi interior de

62

I

180-- UI - U

a) b)

Fig. 4.13 Diagramele vectoriale ale releului RDC: a) I + U; b) I - U

300. Considerând că unghiul de scurtcircuit pe liniile aeriene este de 600, curentul IR

în cazul unui scurtcircuit trifazat va fi defazat cu 600 în urma tensiunii UR, deci cu 300

înaintea tensiunii UST, adică tocmai în poziţia în care cuplul este maxim, deoarece r

fiind - 300, cos (r + 300) = 1 (fig. 4.14).

Combinarea curentului IR cu tensiunea UST, a curentului IS cu tensiunea UTR sau a curentului IT cu tensiunea URS, este una din cele mai utilizate scheme de conectare numită “schema de 900 “. Această schemă constă în faptul că fiecărei tensiuni între

63

UR

US

UT

UST

UTR

URS

IKR

IKS

IKT

UST

URS

UTR

rR

rS

rT

iR

iSiT

KR

KS

KT

Fig. 4.15b Diagrama vectorială a unei protecţii direcţionale realizate după schema de 900.

Fig. 4.15a Schema de principiu a unei protecţii direcţionale realizate după schema de 900.

I

RST

De la trafo de tens.

R S T

faze aplicate releului i se asociază curentul unei faze defazate cu 900 unde curenţii sunt reprezentaţi convenţional în fază cu tensiunile fazelor respective.

În fig. 4.15 este reprezentată schema principială şi diagrama vectorială a unei protecţii direcţionale realizată pe trei faze, conform schemei de 900.

4.6 PROTECŢIA ÎMPOTRIVA SCURTCIRCUITELOR MONOFA-ZATE ÎN REŢELELE DE ÎNALTĂ TENSIUNE CU NEUTRUL LEGAT DIRECT LA PĂMÂNT

În reţelele cu neutrul legat direct la pământ, deteriorarea izolaţiei unei faze faţă de pământ reprezintă un scurtcircuit monofazat, care are ca efect creşterea curentului şi scăderea tensiunii pe faza respectivă.

După cum se ştie, curentul de scurtcircuit monofazat este adesea mai mic decât curenţii de scurtcircuit bifazat şi trifazat, iar protecţia maximală care trebuie reglată la valori superioare curentului de sarcină poate să nu sesizeze asemenea defecte.

De aceea în cazul liniilor electrice cu neutrul legat direct la pământ se foloseşte o protecţie specială împotriva defectelor însoţite de puneri la pământ numită şi protecţie homopolară (fig.4.16).

Protecţia homopolară constă dintr-o protecţie maximală obişnuită (alcătuită dintr-un releu maximal de curent şi un releu de timp), alimentată de la înfăşurările secundare ale transformatoarelor de curent legate în paralel ale celor trei faze ale liniei protejate formând un filtru de curent de secvenţă homopolară (FCSH).

Curentul care alimentează protecţia reprezintă suma curenţilor de pe cele trei faze, adică tocmai curentul homopolar al liniei pe care a apărut defectul, mărit de trei ori (3I0).

64

I T

-

++

I

FCSH

3I0

Fig. 4.16 Schema de principiu a unei protecţii maximale homopolare

În funcţionare normală ca şi în cazul scurtcircuitelor trifazate sau bifazate, nu există curent homopolar şi deci curentul care parcurge protecţia este nul, existând doar un curent mic de dezechilibru datorat erorilor transformatoarelor de curent.

Pentru alimentarea protecţiei homopolare nu sunt necesare TC speciale pentru crearea FCSH, ci pot fi folosite transformatoarele care alimentează celelalte protecţii, care se leagă apoi în paralel (fig.4.17).

Ca şi protecţia împotriva defectelor polifazate, protecţia homopolară poate fi netemporizată sau temporizată, în care principiul alegerii treptelor de timp este acelaşi ca şi al protecţiei maximale, timpii de acţionare crescând către sursă, însă considerând numai elementele legate galvanic de linia protejată, pentru că protecţia nu acţionează la defecte monofazate în reţelele cuplate magnetic cu linia. Temporizarea protecţiei maximale homopolare poate rezulta sensibil mai mică decât a protecţiei maximale de curent a aceleiaşi linii împotriva scurtcircuitelor între faze.

De aceea liniile de 110 kV şi mai mult se prevăd cu protecţii speciale împotriva scurtcircuitelor monofazate (protecţii de distanţă), protecţia împotriva scurtcircuitelor monofazate realizată cu relee maximale de curent fiind o protecţie de rezervă.

Protecţia împotriva scurtcircuitelor monofazate pe liniile radiale care nu sunt prevăzute cu protecţii de distanţă se realizează cu protecţii maximale homopolare temporizate şi rapide (se mai numesc şi secţionări homopolare).

Curentul de pornire Ipp1 al secţionării homopolare netemporizate se determină cu o relaţie analogă cu cea pentru secţionarea rapidă împotriva defectelor polifazate.

(4.21)unde : Ksig = 1,2….1,3. ;

65

I I I T Ih T

-

++

-

++++

3I0 = IsR + IsS + IsT

Protecţie maximală temporizatăProtecţie maximalăhomopolară

I

Fig. 4.17 Alimentarea protecţiei maximale şi a protecţiei homopolare de la acelaşi TC

Ipăm calc K = 3I0 calc K este curentul în raport cu care se desensibilizează protecţia liniei, corespunzător unui defect în K, la capătul opus celui la care este instalată protecţia, în condiţii care conduc la valoarea maximă a acestui curent.

Ipăm.calc.K se adoptă cel mai mare dintre curenţii de defect monofazat sau la scurtcircuit bifazat la pământ, în punctul K.

În cazul scurtcircuitului monofazat [1, 4, 55],

(4.22)

În cazul unui scurtcircuit bifazat la pământ [4, 52],

În relaţiile de mai sus X1ech, X2ech, X0ech sunt reactanţele echivalente de secvenţă directă, inversă şi homopolară obţinute prin transformarea schemelor de secvenţă directă, inversă şi homopolară ale reţelei considerate, iar U f este tensiunea de fază a sursei care alimentează defectul. La reţelele electrice X1 = X2.

Se va înlocui în relaţia (4.21) acel curent dintre cei calculaţi cu relaţiile (4.22) şi (4.23) care dă valoarea cea mai mare.

Dacă linia protejată alimentează transformatoare, trebuie verificată desensibilizarea curentului de pornire al secţionării în raport cu curentul de şoc de magnetizare care apare la conectarea transformatoarelor. Dacă secţionarea homopolară netemporizată nu este direcţionată, trebuie verificată desensibilizarea ei în raport cu curentul care circulă prin linia protejată în sens invers, la defecte la pământ pe o linie vecină spre surse. Protecţia homopolară netemporizată trebuie să acopere minimum 15…20 % din lungimea liniei.

Curentul de pornire Ipp2 al protecţiei homopolare temporizate se desensibilizează în raport cu curentul de pornire al secţionării homopolare rapide de pe linia următoare spre consumatori.

Pentru protecţia maximală homopolară, curentul de pornire se determină din condiţia desensibilizării în raport cu curentul de dezechilibru raportat la primar Idez staţp al FCSH în cazul regimului staţionar al unui scurtcircuit exterior trifazat, cu o relaţie de forma

Ipp2 = Ksig Kaper Idez staţ p (4.24)în care: Ksig = 1.25 ;

Kaper = 1…2 în funcţie de temporizarea protecţiei maximale şi de prezenţa sau absenţa accelerării acesteia după acţionarea dispozitivului de RAR.

În practică protecţia se reglează la 40…60 % din valoarea curentului nominal al liniei protejate.

66

Temporizarea protecţiei maximale homopolare se stabileşte în trepte crescătoare dinspre consumatori spre sursă, însă considerând numai elementele legate galvanic de linia protejată, pentru că protecţia nu acţionează la defecte monofazate în reţelele cuplate magnetic cu linia. De aceea temporizarea protecţiei maximale homopolare poate rezulta sensibil mai mică decât a protecţiei maximale de curent a aceleiaşi linii împotriva scurtcircuitelor între faze.

Protecţia homopolară se foloseşte de asemenea şi în reţelele alimentate din mai multe părţi sau în cele buclate, dar în asemenea cazuri i se adaugă un element direcţional, ea devenind protecţie homopolară direcţională. Direcţionarea protecţiei homopolare face posibilă utilizarea acesteia în orice configuraţie, datorită faptului că elementul direcţional permite acţionarea numai în cazul când sensul puterii este de la bare spre linie. Acest sens este sesizat de un releu direcţional, a cărui bobină de curent este parcursă de curentul homopolar, iar bobina de tensiune este alimentată de la înfăşurările secundare înseriate ale transformatoarelor de tensiune, realizându-se aşa-numitul montaj în triunghi deschis (sau filtru de tensiune de secvenţă homopolară) la bornele căruia se culege tensiunea homopolară mărită de trei ori (3U0).

Schema de principiu este reprezentată în fig.4.18

La un scurtcircuit monofazat, tensiunea pe faza defectă (de exemplu pe faza R) scade foarte mult (putând fi chiar nulă la locul de defect), şi ca urmare suma tensiunilor faţă de pământ a celor trei faze este un vector de sens contrar tensiunii pe faza defectă în funcţionare normală. Curentul de defect IKR este defazat cu circa 700

(unghiul de scurtcircuit corespunzător unei linii aeriene) în urma tensiunii UR (care devine zero în punctul de defect).

67

I T

-

++

I

FCSH3U0 3I0

Fig. 4.18 Schema de principiu a protecţiei homopolare direcţionale

Astfel releului direcţional i se aplică tensiunea UR = - 3U0 = - (UR +US +UT) = - (US +UT), deoarece UR = 0 şi curentul IR = 3I0 defazat cu unghiul r = 700 în urma tensiunii UR.

Ţinând cont de unghiul în general mare (în special în reţelele aeriene) dintre aceste mărimi, releele direcţionale folosite pentru protecţiile homopolare sunt de tipul sin , adică au cuplul de forma M = k Ur Ir

sin (r + ).În comparaţie cu protecţiile maximale

direcţionale şi cu secţionările direcţionale împotriva scurtcircuitelor între faze, secţionările homopolare şi protecţiile maximale homopolare împotriva scurtcir-cuitelor monofazate au avantajul că nu prezintă zone moarte, întrucât tensiunea homopolară este cu atât mai mare cu cât defectul este mai apropiat, deci invers decât în cazul defectelor între faze, când tensiunea

scade cu apropierea faţă de defect (UR = 0, deci /3U0/ = /US + UT / are valoare maximă)

Sensibilitatea releului direcţional homopolar se verifică cu relaţia

unde : - U0, I0 - sunt valorile componentelor de secvenţă homopolară la locul de montare a protecţiei la un defect monofazat în limitele zonei considerate, apărut într-un regim care conduce la valoarea minimă I0;

- Spr - valoarea puterii de acţionare a releului;- nTC, nTT – rapoartele de transformare ale TC şi TT care alimentează releul.Pentru defecte pe linia protejată se prevede

Ksens I 2,iar pentru defecte pe elementul vecin se prevede

Ksens II 1,5Datorită simplităţii, rapidităţii, selectivităţii şi absenţelor zonelor moarte,

protecţiile homopolare direcţionale se utilizează ca protecţii de rezervă, în reţelele cu curenţi mari de punere la pământ de orice configuraţii [8, 13].

PROTECŢIA REŢELELOR COMPLEXE.

68

4.7 PROTECŢIA DE DISTANŢĂ

4.7.1 Principiul de realizare al protecţiilor de distanţă

Protecţiile prezentate anterior, au fiecare atât avantaje cât şi dezavantaje ceea ce determină domeniul lor limitat de utilizare.

De asemenea, la toate aceste protecţii sensibilitatea depinde de valoarea curentului de scurtcircuit, respectiv de regimul de funcţionare al sistemului.

Un alt dezavantaj al acestor protecţii îl constituie faptul că defectele sunt eliminate cu o temporizare cu atât mai mare cu cât sunt mai apropiate de sursă.

Protecţia de distanţă, răspunde acestor condiţii care nu au putut fi îndeplinite de protecţiile descrise până acum, fiind o protecţie universală, care poate fi folosită în reţelele de orice configuraţie.

Protecţia de distanţă este o protecţie care măsoară distanţa dintre locul de montare a protecţiei şi locul de defect, comandând declanşarea întrerupătorului, deci întreruperea alimentării defectului cu o temporizare cu atât mai mare cu cât distanţa până la locul de defect este mai mare. Deci, timpul de acţionare al protecţiei de distanţă este funcţie de distanţa dintre locul de montare a protecţiei şi locul de defect.

Această variaţie a timpului în funcţie de distanţă poate fi liniară sau în trepte, ultima fiind folosită exclusiv în protecţiile de distanţă, deoarece permite o mai judicioasă eşalonare a caracteristicilor protecţiilor diferitelor linii dintr-o reţea şi duce în general la timpi de deconectare cât mai mici.

Din fig.4.20 se observă că un releu de distanţă cu o asemenea caracteristică are mai mulţi timpi de acţionare fiecare corespunzând anumitor distanţe dintre releu şi defect, numite zone. Astfel pentru o distanţă mai mică decât L1, declanşarea se produce rapid, la timpul t1; aceasta se numeşte treapta I de timp a protecţiei, iar distanţa L1 zona I sau treapta I de distanţă a acestuia. Un defect produs la o distanţă mai mare decât L1 dar mai mică decât L2, este deconectat la timpul t2; distanţa L2 este zona a II-a sau treapta a II-a de distanţă a protecţiei, iar timpul t2 – treapta a II-a de timp. În mod similar se definesc treptele următoare de distanţă şi de timp. Atât treptele de distanţă cât şi de timp sunt reglabile. Releele de distanţă indiferent de principiul lor constructiv, prezintă erori atât în determinarea distanţei până la locul de defect, cât şi în temporizarea acţionării. Eroarea în aprecierea distanţei nu depăşeşte în general 20%, de care trebuie să se ţină seama în alegerea caracteristicii protecţiei. Dacă nu s-ar ţine seama de aceste erori, zona I a protecţiei de distanţă s-ar alege egală

69

t

l

l1 l2 l3 l4

t1

t2

t3

t4

Fig.4.20 Caracteristca în trepte a unei protecţii de distanţă

cu lungimea liniei, acest lucru ducând la deconectarea rapidă a defectelor de pe întreaga lungime a liniei. Datorită erorii în aprecierea distanţei există posibilitatea deconectării rapide şi a defectelor apărute pe alte linii, în imediata apropiere a barelor staţiei de la celălalt capăt al liniei protejate.

Din acest motiv treapta I a protecţiei de distanţă se reglează de regulă la numai 80% din lungimea liniei protejate.

În fig. 4.21 este reprezentat un exemplu de realizare a unei protecţii prin relee de distanţă cu caracteristici în trepte, într-o reţea alimentată din ambele capete.

În cazul unui defect în punctul k1, deconectarea liniei se produce rapid din ambele capete a linei. În cazul unui defect în k2, întrerupătorul 5 va declanşa rapid, iar protecţia întrerupătorului 2 va declanşa în treapta a II-a de timp. Deoarece, datorită erorilor posibile în determinarea distanţei, treapta I-a se alege de 80% din lungimea liniei protejate, rezultă că pe o porţiune de 60% din linie defectele sunt eliminate rapid de la ambele capete, în restul liniei deconectarea de la unul din capete făcându-se în treapta a II-a.

De asemenea se mai observă că dacă întrerupătorul sau protecţia refuză să funcţioneze în cazul unui defect pe linie, declanşează întrerupătorul liniei vecine, la comanda protecţiei de distanţă cu timpul treptelor a II-a sau a III-a, după locul scurtcircuitului.

Se mai observă de asemenea că protecţia de distanţă realizează deconectarea rapidă a defectelor de pe linia proprie, cât şi deconectarea temporizată a defectelor de pe liniile alăturate, care din diverse motive nu sunt deconectate de întrerupătoarele proprii.

70

1 2 3 456

0,1s

0,5s

1s

1,5s

0,1s

0,5s

1s

0,1s

0,5s

0,1s

0,5s

0,1s

1s

0,5s

1,5s

1s

0,1s

0,5s

A B C D

1 23

456

Fig. 4.21. Diagramele de funcţionare ale protecţiilor de distanţă într-o reţea alimentată din ambele capete

K1 K2

Protecţia de distanţă a unei linii constituie în acelaşi timp şi protecţie de rezervă pentru elementele alăturate ale liniilor vecine.

4.7.2 Principii constructive ale protecţiilor de distanţă

Principiile constructive pe baza cărora se realizează protecţiile de distanţă sunt diferite.

Una din cele mai utilizate protecţii de distanţă folosite în ţara noastră, este protecţia de impedanţă.

Principiul de funcţionare al unuia dintre cele mai simple relee de impedanţă de tip “balanţă electromagnetică” este prezentată în fig. 4.22.

Fig. 4.22 Releu de impedanţă de tipul “balanţă electromagnetică”

“Balanţa electromagnetică” se compune din două relee electromagnetice ale căror armături mobile sunt fixate fiecare la câte un capăt al unei pârghii care se poate roti în jurul unui ax. Unul din relee este alimentat cu tensiunea

Ur = UL/ nTT (4.26)(UL fiind tensiunea liniei între faze, în punctul de instalare al protecţiei; nTT – raportul de transformare al transformatorului de tensiune), iar celălalt releu este alimentat cu curentul secundar de linie

Ir = IL/ nTC (4.27) (IL fiind curentul liniei şi nTC – raportul de transformare al transformatorului de curent). Forţele exercitate asupra armăturilor acestor relee dau naştere unor momente

71

Spre declanşare

+

Ur

Ir nI

nu

l

R TS T

MU

MI

IU

IL

K

care acţionează în sensuri opuse asupra pârghiei. Releele fiind electromagnetice momentul exercitat de releul alimentat de transformatorul de curent are expresia

(4.28)

unde KI este un coeficient de proporţionalitate, iar momentul exercitat de releul alimentat de transformatorul de tensiune are expresia

(4.29)

După cum se vede din figură momentul MU tinde să ţină deschise contactele releului de impedanţă, iar momentul MI tinde să le închidă. Se observă că închiderea contactelor şi deci declanşarea întrerupătorului liniei se produce când MI MU.

Rezultă

(4.30)

respectiv

Notând cu Zr =Ur/Ir impedanţa sesizată de releu (uneori denumită şi impedanţa măsurată, respectiv impedanţa constatată de releu), iar cu

impedanţa de pornire a releului, condiţia de acţionare (4.31) devine Z r Zpr

(4.33)Caracteristica de acţionare pe diagrama R-X este un cerc cu centrul în origine

şi cu raza egală cu impedanţa reglată Zr (fig. 4.23).

Din (4.31) şi (4.33) se constată că releele de impedanţă sunt relee minimale, acţionând atunci când impedanţa sesizată de releu Zr =Ur/Ir scade sub valoarea de pornire stabilită Zpr.

72

Fig. 4.23 Diagrama de acţionare a unui releu de impedanţă: Zr- impedanţa reglată; ZL- impedanţa liniei; - unghiul liniei

ZL

X

R

Zr

Zona deacţio-nare

În regim normal când tensiunile UL şi Ur sunt apropiate de cele nominale, iar curenţii IL şi Ir corespund sarcinii liniei, releul este reglat să nu acţioneze, rezultând în acest caz Zr Zpr.

La un scurtcircuit pe linie în punctul K, tensiunile UL şi Ur scad sensibil, iar curenţii IL şi Ir cresc sensibil, valoarea Zr =Ur/Ir scăzând atât cu micşorarea numărătorului, cât şi cu mărirea numitorului: ca urmare, în acest caz Zr Zpr şi protecţia acţionează.

Impedanţa sesizată de releu Zr la defect în K depinde de distanţa l dintre locul de instalare a protecţiei şi punctul K; dacă scurtcircuitul este metalic, atunci valoarea Zr este proporţională cu distanţa l. Această proporţionalitate poate fi ilustrată în cazul releului din fig.4.22 considerând că în K defectul este un scurtcircuit metalic bifazat între fazele S şi T.

În această ipoteză tensiunea UL în locul de instalare al protecţiei, între fazele S şi T (bobina de tensiune fiind alimentată cu tensiunea redusă de TT, dintre acestea) va avea expresia:

UL = 2ZLIL = 2zsl . l . IL (4.34)unde : - ZL - este impedanţa pe fază a liniei între locul de instalare a protecţiei şi punctul K, deci 2ZL reprezintă impedanţa buclei de scurtcircuit prin care circulă curentul de defect IL;

- zsl – impedanţa specifică a liniei pe unitatea de lungime.Înlocuind relaţiile (4.26) şi (4.27) în Zr =Ur/Ir se obţine

şi ţinând seama de (4.34)

se constată că impedanţa sesizată de releu Zr este proporţională cu distanţa l (de aici şi denumirea de protecţie de distanţă).

Un alt tip de releu de impedanţă folosit în instalaţiile energetice este “balanţa electrică” a cărei schemă de alimentare este prezentată în fig.4.24, în care tensiunea şi curentul folosite pentru excitarea releului sunt în prealabil redresate.

Această soluţie folosită aproape exclusiv în construcţiile moderne de relee, permite eliminarea influenţei defazajului dintre curent şi tensiune asupra măsurării impedanţei.

73

Fig. 4.24 Schema de principiu a alimentării releului tip”balanţă electrică”

Z

Dela transfor-matoarele detensiune

R

iI

iu

I

O altă problemă foarte importantă o constituie faptul că prin redresarea tensiunii şi a curentului se pot folosi relee de curent continuu care au un consum foarte mic, ceea ce permite realizarea unei mari sensibilităţi. De asemenea vibraţiile, care sunt greu de evitat total în curent alternativ, dispar şi prin aceasta măsurarea este mult mai exactă.

Din fig.4.24 se observă că de la bornele rezistenţei R, legată în paralel cu înfăşurarea secundară a transformatorului de curent, se culege o cădere de tensiune proporţională cu curentul de defect I. Folosirea căderii de tensiune şi nu direct a curentului secundar, prezintă avantajul de a se putea efectua comutări în circuitele de curent.

Releul de curent continuu Z, este un releu polarizat care acţionează închizându-şi contactul pentru un anumit sens al curentului care-l străbate, şi menţinându-şi contactul deschis pentru un sens contrar al curentului; curentul care-l străbate este ii-iu

şi va avea deci un sens sau altul după cum ii este mai mare sau mai mic decât iu.Considerând că curenţii ii şi iu sunt proporţionali cu modulele vectorilor I şi U,

condiţia de acţionare a releului este ≤ respectiv ≤ K

Deci şi în acest caz condiţia de acţionare este ca impedanţa măsurată de la locul de instalare până la defect să fie mai mică decât o valoare dată.

4.7.3 Caracteristicile de defect ale liniei pe diagrama R-X Definim caracteristica de defect a unei linii ca impedanţa văzută de pe partea

secundară a TC/TT pe linia defectă. Poziţia defectului este variată de la locul de montare a releului până la punctul de acţiune dorit, şi defectele pot fi metalice şi prin arc.

4.7.3.1 Linie alimentată de la un singur capătFig. 4.25 arată o linie alimentată de la un singur capăt cu localizarea releului,

TC, TT şi poziţia defectului variabilă. Pentru un defect metalic în punctul F, impedanţa de pe partea secundară a TC/TT este Zr = Zf. Dacă defectul din F este un defect prin arc cu rezistenţa arcului Ra, atunci impedanţa văzută este Zr = Zf + Ra.

74

Prin urmare, caracteristica de defect a liniei va fi un patrulater pe diagrama R-X. Este bine să ne amintim că impedanţa văzută de pe partea secundară a TC/TT pentru defecte atât metalice cât şi prin arc nu este niciodată în afara patrulaterului. Pentru alt regim de funcţionare decât cel de defect (de exemplu, regim normal de trecere a curentului, pendulaţie, etc.), impedanţa poate fi în afara patrulaterului [2, 43].

4.7.3.2 Linie alimentată de la ambele capete cu export de putere în regim anterior defectului.

Figura 4.26 arată o linie AB cu surse la ambele capete cu releul potrivit şi întrerupătoare. Scopul nostru este să găsim impedanţa văzută de pe partea secundară a TC/TT pentru un defect metalic şi prin arc când defectul are loc într-un punct al liniei protejate.

Se va dovedi mai târziu că releul din A este afectat cel mai mult dacă sursa A este o sursă mai slabă (ZsA mare) şi sursa din B este o sursă puternică (ZsB mică). Dacă tensiunea EA determină capătul îndepărtat al tensiunii EB printr-un unghi +, atunci puterea, ca văzută din punctul A, este exportată. Văzută din punctul B, puterea este importată [2, 43].

Pentru un defect metalic în punctul F, impedanţa este ZRA = Zf. Pentru un defect prin arc în F curentul de defect alimentează defectul din ambele capete.

75

Ur

Ir

TCIp

TTZRa

Zf

F

Ea

Zs

A B

Fig.4.25 Caracteristica de defect a unei linii alimentate de la un singur capăt

X

R

Ra

Ra

Caracteristicile de defectale liniei

Zona

de

decl.

Curentul de defect de la capătul îndepărtat are o amplitudine mult mai mare decât curentul care alimentează defectul din capătul local (capătul A în figură).

Presupunând că toate impedanţele sunt pur inductive şi neglijând rezistenţa arcului, curenţii de defect IR şi IF decalează tensiunile EA şi EB cu 900 respectiv. Aceasta este arătată prin diagrama fazorială în figură.

De notat că sursa de curent din B este presupusă a fi mult mai mare decât sursa din A, deoarece ZSA ZSB. Prin aplicarea legilor lui Kirchhoff avem

(4.37)

Împărţind prin IRA găsim

(4.38)

(4.39)şi

(4.40)

76

Fig.4.26 Caracteristica de defect a unei linii alimentate de la ambele capete cu export de putere în regim anterior defectului

Ur

Ir

TCIR

TTZ

Zf

Ra

F

Ea

ZSA

A B

Eb

ZSB

IR IF

ITotal = IR + IF(Zr =Ur / Ir)

Eb

Ea

ITotal = IR + IF

IR

IF

X

R

Zf

kRa

Zr

X

R

Creşterea lui Ra

Caracteristica de defect

Aşa cum se vede din diagrama fazorială, pentru un export de putere în regim anterior defectului (adică, unghiul pozitiv), avem

(4.41)unde 1.0 şi = pozitiv.

Aşa cum este văzută din capătul A, rezistenţa arcului Ra apare a fi mare cu o componentă reactivă fictivă. Aceasta este arătată în figură. Caracteristicile de defect nu numai că se măresc dar se şi rotesc în sensul acelor de ceasornic cu referire la planul patrulaterului în cazul alimentării de la un singur capăt [43].

4.7.3.3 Linie alimentată de la ambele capete cu import de putere în regim anterior defectului

Figura 4.27 este identică cu fig.4.26 cu excepţia faptului că este acum negativ. Văzută din locul de montare al releului RA, puterea este importată. Diagrama fazorială arată că

(4.42)unde 1.0 şi = negativ (spre deosebire exportul de putere în regim anterior defectului).

Pentru comparaţie toate cele trei caracteristici sunt arătate în fig.4.28.

77

Ur

Ir

TCIR

TTZ

Zf

Ra

F

Ea

ZSA

A B

Eb

ZSB

IR IF

ITotal = IR + IF(Zr =Ur / Ir)

Fig.4.27 Caracteristica de defect a unei linii alimentate de la ambele capete cu import de putere în regim anterior defectului

Eb

Ea -

ITotal = IR + IF

IR

IF

X

R

Zf

kRa

Zr

X

R

Creşterea lui Ra

Caracteristica de defect

4.7.4 Caracteristici de acţionare ale releelor de impedanţă

Caracteristicile de acţionare ale elementelor de pornire şi de măsură ale protecţiilor de distanţă, sunt reprezentate în planul (R, jX) prin curbe închise, curbe care se situează în cea mai mare parte în primul cadran.

78

Alimentare din ambele capete – import de putere

Alimentare din ambele capete – export de putere

R

X

Fig. 4.28 Caracteristicile de defect posibile ale liniei

Creşterea lui Ra

Creşterea lui Ra

Se utilizează caracteristici continue, curbe închise, care sunt de fapt conice de tipul elipsei şi caracteristici discontinue (caracteristici poligonale formate din fragmente de drepte).

4.7.4.1 Caracteristici continue

Se consideră ecuaţia generală a unei elipse, cu centrul în originea axelor de coordonate (r,x) şi cu axa mare suprapusă cu axa absciselor [46];

(4.43)

Prin rotirea sistemului de axe (r,x) cu unghiul θ şi translarea acestora cu R0 şi X0 faţă de sistemul de axe (R, X), elipsa de ecuaţie (4.43) se poate poziţiona în planul (R, jX), fig. 4.29, rezultând:

de unde (4.44) (4.45)Prin urmare faţă de noile axe (R, X), ecuaţia generalizată a elipsei va fi dată de

expresia

Relaţia (4.46) poate fi particularizată pentru diverse poziţii şi forme ale elipselor, rezultând caracteristici circulare şi drepte.

În practica utilizării releelor de impedanţă, cea mai utilizată caracteristică este caracteristica de formă circulară.

79

R0

X0

R

X

x r

xr

R

jX

θ

Fig. 4.29 Translaţia şi rotaţia axelor în planul (R, jX)

Pentru o analiză în detaliu a caracteristicilor de acţionare de formă circulară, efectuată atât în planul impedanţelor (R, jX), cât şi în planul admitanţelor (G, jB), se porneşte de la ecuaţia (4.46), punându-se condiţia (a = b = r), obţinându-se caracteristica cu centrul în punctul C (R0, X0), fig. 4.30. Aceasta reprezintă cazul cel mai general al unui releu cu o caracteristică circulară căreia nu i se impune nici o condiţie – numit releu de impedanţă (admitanţă) generalizată – şi care apoi punându-se anumite condiţii coeficienţilor ecuaţiei care defineşte această caracteristică, se obţin caracteristici de acţionare particularizate [13, 31].

Ecuaţia caracteristicii din fig. 4.30 este (4.47)unde : R0 şi X0 sunt coordonatele centrului cercului,

r – raza cercului.Ţinând seama de notaţiile din figură, se obţine:

(4.48)

(4.49)

unde .

Impedanţa de pornire depinde de valoarea argumentului al vectorului Zpr. Se demonstrează [12] că:

(4.50)Unghiul θ reprezintă unghiul sensibilităţii maxime, deoarece pentru = θ

rezultă o valoare maximă pentru , deci o lungime maximă a zonei protejate.Dacă se dezvoltă parantezele din ecuaţia (4.47), înmulţind ambii membri cu I2

şi comparând cu relaţia (4.50), se obţine: (4.51) unde:

; < 0;

, puterea activă:

80

Zpr

+jX

+R R0

X0θ

K

r Fig. 4.30 Caracteristica releului de impedanţă (admitanţă) generalizată în planul (+R. +jX)

C

, puterea reactivă.Revenind la relaţia (4.51), obţinem (4.52)

unde: ; ; .Expresia (4.52) are semnificaţia unei sume algebrice de patru cupluri (sau în

particular de patru curenţi, tensiuni, fluxuri).

Prin inversiune, în planul admitanţelor (+G, +jB), zona de acţionare este reprezentată de exteriorul cercului (fig. 4.31).

Alegând corespunzător coeficienţii cercului din fig. 4.30, se obţin caracteristicile de acţionare particularizate, atât în planul impedanţelor (R, jX), cât şi în planul admitanţelor (G, jB).

În continuare se prezintă câteva caracteristici particularizate ale releelor de distanţă.

4.7.4.1.1 Releu de impedanţă (admitanţă) simplu

Cel mai simplu releu de impedanţă are în planul complex al impedanţelor o caracteristică de acţionare definită de relaţia (4.31), reprezentând un cerc cu centrul în origine şi cu raza egală cu impedanţa reglată Zpr (R0 = 0, X0 = 0). Pentru orice impedanţă până la locul defectului mai mică în valoare absolută decât Zpr releul comandă declanşarea, iar pentru orice impedanţă mai mare decât Zpr declanşarea nu se produce (fig.4.32). Deci cercul de rază Zpr împarte planul Z în două zone: impedanţele reprezentate prin vectori cu vârful în interiorul său determină declanşarea întrerupătorului, iar cele reprezentate prin vectori cu vârful în exteriorul său nu determină declanşarea întrerupătorului. Zona din interiorul cercului este denumită zona de acţionare a releului, iar cea din afara sa zona de blocare.

81

ZL

jX

R

Zpr= r

Fig. 4.32 Diagrama de acţionare a unui releu de impedanţă: Zr- impedanţa reglată; ZL- impedanţa liniei; - unghiul liniei

Fig. 4.31 Caracteristica releului de impedanţă generalizată în planul admitanţelor +G, +jB

+jB

+G

Zona de blocare

Zona de declanşare

Pentru orice scurtcircuit net produs pe linie, impedanţa de la locul de instalare a releului până în punctul de defect este reprezentată printr-un vector Zsc care este cu atât mai mare cu cât distanţa până la locul de defect este mai mare [13, 31].

În planul admitanţelor (+G, +jB), caracteristica de acţionare este reprezentată în fig. 4.33.

Zona din exteriorul cercului este denumită zona de acţionare a releului, iar cea din interiorul său, zona de blocare.

4.7.4.1.2 Releu de admitanţă mixtă

Dacă în relaţia (4.47) punem condiţia (4.53)

se obţine în planul (R, jX) o caracteristică circulară trecând prin origine (fig.4.34), iar în planul (G, jB), o dreaptă (fig. 4.35). Releele cu asemenea caracteristici sunt denumite relee de admitanţă mixtă (sau MHO) [13, 31].

82

+jB

+G

Fig. 4.33 Diagrama de acţionare a unui releu de impedanţă în planul admitanţelor (G, jB)

Blocare

Declanşare

jX

R

Zpr

Fig. 4.34 Diagrama de acţionare a unui releu de admitanţă mixtă în planul (R, jX)

R0

X0

0’

0

jB

G

Fig. 4.35 Diagrama de acţionare a unui releu de admitanţă mixtă în planul (G, jB)0

(∆)

Declanşare

Blocare

4.7.4.1. 3 Releu de conductanţă

Dacă în relaţia (4.53), se pune condiţia se obţine releul de conductanţă, având în planul (R, jX) o caracteristică circulară cu centrul pe axa R şi trecând prin origine (fig. 4.36), iar în planul (G, jB), caracteristica obţinută prin inversiune este o paralelă la axa B (fig. 4.37) [13, 31].

83

jX

R

Fig. 4.36 Diagrama de acţionare a unui releu de conductanţă în planul (R, jX)

R0

C0

r

jB

G

Fig. 4.37 Diagrama de acţionare a unui releu de conductanţă în planul (G, jB)0

0

1

R

4.7.4.1.4 Releu de susceptanţă

Dacă în relaţia (4.53), se pune condiţia se obţine releul de susceptanţă, având în planul (R, jX) o caracteristică circulară cu centrul pe axa X şi trecând prin origine (fig. 4.38), iar în planul (G, jB), caracteristica obţinută prin inversiune este o paralelă la axa G (fig. 4.39) [13, 31].

4.7.4.1.5 Releu de reactanţă (rezistenţă)

Caracteristica releului de reactanţă, aşa cum arată numele, are zona de declanşare mai jos de valoarea reglată a lui Xr (fig.4.40). În planul (R, jX), ea este o linie caracteristică dreaptă, paralelă la axa R şi deplasată prin Xr de-a lungul axei X. Ajustarea disponibilă este deplasarea Xr. Zona gri este zona de declanşare, incluzând cadranele întregi trei şi patru.

În planul (G, jB), caracteristica este un cerc trecând prin origine cu centrul pe axa B (fig. 4.41).

84

jX

R

Fig. 4.38 Diagrama de acţionare a unui releu de susceptanţă în planul (R, jX)

X0

C

0

r

-jB

GFig. 4.39 Diagrama de acţionare a unui releu de susceptanţă în planul (G, jB)

0

0

1

Xj

jXjB

1

Xr

jX

R

Xr - AjustabilFig. 4.40 Diagrama de acţionare a unui releu de reactanţă în planul (R, jX): Xr- reactanţă reglată

0

G

Fig. 4.41 Diagrama de acţionare a unui releu de reactanţă în planul (G, jB)

0

1

jX

C

0r

Caracteristica releului de rezistenţă în planul (R, jX), are zona de declanşare la stânga valorii reglate Rr (fig. 4.42). Ea este o linie paralelă cu axa X şi deplasată prin Rr de-a lungul axei R.

În planul (G, jB), caracteristica este un cerc trecând prin origine cu centrul pe axa G (fig. 4.43) [13, 31].

85

jX

R

Rr - Ajustabil

Fig. 4.42 Diagrama de acţionare a unui releu de rezistenţă în planul (R, jX): Rr- rezistenţă reglată 0

jXjB

1

G

Fig. 4.43 Diagrama de acţionare a unui releu de rezistenţă în planul (G, jB)

C0

r

G0

4.7.4.2 Caracteristici discontinue

Scopul oricărui releu este de a detecta defectul şi a deconecta întrerupătorul potrivit, numai pentru defecte nu şi pentru alte condiţii. Prin urmare, caracteristicile ideale ale releului ar fi cele poligonale. Fiind vorba de sisteme fizic realizabile, vor fi luate în considerare caracteristicile care prezintă discontinuitate de speţa întâi, în sens restrâns considerându-se, în mod convenţional, numai caracteristicile formate din fragmente de drepte.

În planul (R, jX), o asemenea caracteristică poate fi exprimată, în mod general, prin relaţia [46],

(4.54)

Sub formă restrânsă această ecuaţie, devine

(4.55)

unde semnificaţia mărimilor ce intervin în relaţie sunt ilustrate în fig. 4.44.Caracteristica din fig. 4.44, care reprezintă o însumare pe porţiuni a unor

drepte, se mai numeşte şi caracteristică poligonală. Caracteristicile de acţionare pentru protecţiile de distanţă fiind întotdeauna închise, rezultă condiţia suplimentară

(4.56)Punctul de început al caracteristicii, care determină pe R1 este pur

convenţional. Unghiul Ψ este definit la abscisa şi ordonata la limitele intervalelor. Considerând date aceste limite, relaţia (4.55), poate fi scrisă sub forma

(4.57)

861

2

3

4

Xa3

X3

Xa2

X2

X4

R3

R1

R4Xa1

X1

Xa4

R2

Ψ1

Ψ2

Ψ3

Ψ4

jX

RFig. 4.44 Caracteristică poligonală formată din 4 trepte

Se constată că relaţiile de definiţie ale unei caracteristici poligonale se bazează pe o logică simplă, care determină schimbarea pantei unei drepte dacă valorile uneia dintre variabile (de exemplu R) iese din mulţimea de valori admisă; această logică simplă se reduce de fapt la o comparaţie de tipul

X = (sup/inf) XK (4.58)

4.7.4.3 Caracteristici mixte

Caracteristicile mixte se obţin prin combinarea a două sau mai multe caracteristici continue sau discontinue, în scopul de a extinde suprafaţa delimitată de curbă faţă de propriile sale axe, fie de a o limita [43, 46]. În aceste scopuri se utilizează caracteristici care rezultă din intersecţia a două sau mai multe caracteristici de tipurile descrise anterior.

În fig. 4.45 a,b sunt reprezentate două caracteristici mixte rezultate prin

intersecţia a două cercuri, respectiv a unei elipse şi un cerc.

4.7.5. Comportarea caracteristicilor de acţionare ale releelor de distanţă

La alegerea uneia sau alteia dintre caracteristicile de acţionare ale releelor de distanţă trebuie să se ţină seama de comportarea caracteristicilor de acţionare ale acestora: la suprasarcină, la compensarea influenţei rezistenţei arcului electric şi la efectul pendulărilor de energie.

4.7.5.1 Comportarea la suprasarcină

87

C1

C2

jX

RΨ2Ψ1

Fig.4.45 Caracteristici mixte

a)

E1

C2

jX

RΨ1

Ψ2

b)

În cazul liniilor lungi, puternic încărcate care funcţionează cu un factor de putere apropiat de unitate , Zsupr. se găseşte în apropierea axei reale. Valoarea curentului de scurtcircuit, la capătul liniei, în regim minim poate fi inferioară curentului de suprasarcină, rezultând Zsupr. ≤ Zsc = Zpr şi releul de distanţă poate acţiona neselectiv.

Pentru ca protecţia de distanţă să deosebească un scurtcircuit de o suprasarcină, se procedează la măsurarea concomitentă nu numai a modulului vectorului impedanţă, ci şi a argumentului impedanţei. În cazul unei suprasarcini în timp ce pentru un defect în zonă (600…800) [31].

4.7.5.2 Compensarea influenţei rezistenţei arcului electric

Influenţei rezistenţei arcului electric este pusă în evidenţă în fig. 4.46. Se consideră linia AB, protecţia de impedanţă fiind instalată în punctul A. protecţia de distanţă trebuie să protejeze întreaga linie AB. Fazorul Zscc face un unghi cuprins între 600 şi 800 cu axa +R, în funcţie de tipul scurtcircuitului. Dacă se adaugă rezistenţa arcului electric Rarc, impedanţa totală de defect este:

Ztotal scc = Zscc + Rarc (4.59) cu modul şi argument variabile, între A şi B (cele două capete ale zonei protejate).

Pentru situaţiile particulare când scurtcircuitul are loc în A, în B sau în C, rezultă:

ZtotA = RarcA

ZtotB = ZsccB + RarcB (4.60) ZtotC = ZsccC + RarcC

astfel că extremitatea vectorului Ztot descrie suprafaţa patrulaterului ABMN, numit patrulater de defect. Dacă defectul are loc fără arc electric, limita zonei de acţionare este dat de modulul ZsccB. În cazul unui defect în B însoţit de arc electric, releul va măsura ZtotB > ZsccB = Zpr şi releul va lucra neselectiv.

Pentru ca protecţia să acţioneze selectiv la defecte în B însoţite de arc electric, ar fi necesară mărirea razei caracteristicii la ZtotB obţinându-se astfel caracteristica 2.

88Fig. 4.46 Diagrama fazorială a impedanţelor în planul (R, jX), la un defect cu arc electric

+jX

+R

RarcB

ZtotalB

ZscB

supr

sc

ZsccC

B

C

A

M

N

RarcA

B’

Zsupr

Z

A BC

B’

21

C’

Ca urmare în cazul când pe elementele care urmează zonei protejate apar scurtcircuite metalice (neînsoţite de arc electric) cărora le corespund vectori cu vârful pe porţiunea BB’, protecţia va acţiona, existând posibilitatea unor funcţionări neselective.

Arcul electric are deci ca efect o micşorare a zonei de acţionare a releului de impedanţă (faţă de cazul defectelor metalice), micşorare care depinde de rezistenţa arcului electric şi deci nu poate fi determinată în mod precis. Soluţia pentru eliminarea erorii introdusă de arcul electric, constă în realizarea unor relee de impedanţă mixtă. Diagrama de acţionare în planul Z a unui asemenea releu este tot un cerc cu centrul deplasat din origine pe axa R (fig. 4.47).

Rezistenţa arcului Rarc a fost aleasă 60% din impedanţa porţiunii de linie pentru care releul trebuie să acţioneze, pe baza experienţelor în acest domeniu.

O asemenea diagramă de acţionare, de forma unui cerc cu centrul deplasat pe axa R, se obţine prin modificarea schemei de alimentare a releului “balanţă electrică” faţă de cea folosită la releele de impedanţă pură în modul arătat în fig.4.48 [8].

Spre deosebire de schema de impedanţă pură, curentul redresat iu din circuitul de tensiune nu este determinat numai de tensiunea de pe bare ci şi de curentul liniei protejate, expresia sa fiind , unde k2 depinde de raportul de transformare al transformatorului Ti şi de valoarea rezistenţei Ri; semnul minus din formulă este obţinut prin alegerea unei polarităţi corespunzătoare a legăturii prin care se introduce în circuitul de tensiune o cădere de tensiune proporţională cu curentul. Curentul redresat iI este proporţional cu modulul vectorului I.

89

+R

+jX

Ra = 0,6 Zr

Dreapta caracteristică a liniei

Zsc

Zr

L

O

Fig.4.47. Diagrama de acţionare a releului de impedanţă mixtă

Pe baza acestor elemente se poate deduce condiţia de acţionare a protecţiei, care este deci: K I. Această condiţie devine, prin transformări succesiv

(4.61)

(4.62)

Împărţind ambii membrii ai acestei expresii prin k1I, înlocuind U / I prin Z şi notând k/k1 = , condiţia de acţionare devine

Diagrama de acţionare în planul Z a releului a cărui condiţie de acţionare are această expresie este un cerc de rază , cu centrul situat pe axa R, la distanţa k2/k1 de origine fig.4.49, adică tocmai diagrama dorită, atât raza cât şi deplasarea centrului cercului fiind reglabile.

4.7.5.3. Comportarea la pendulările de energie

90

R

X

O

k1/ k2

Z

Fig.4.49 Diagrama de acţionare a releului de impedanţă mixtă

ZDela transfor-matoarele detensiune

R

Fig. 4.48 Schema de impedanţă mixtă

Ti

Ri

Fenomenul de pendulaţii constă în principiu în variaţia în timp, după o lege sinusoidală , a diferenţei de fază dintre tensiunile electromotoare, de modul egal şi constant, a două sisteme de reţele racordate printr-o linie de interconexiune.

Comportarea la pendulări a protecţiilor de distanţă poate fi ilustrată considerând cazul a două centrale C1 şi C2 funcţionând în paralel legate prin linia L.

În fig. 4.50 a s-a notat prin şi respectiv şi tensiunile electromotoare şi impedanţele echivalente ale celor două surse, iar prin şi I impedanţa liniei de interconexiune şi curentul care circulă prin aceasta [13, 74].

În fig. 4.50 b aceste mărimi sunt reprezentate vectorial, pentru valoarea δ = δmax, în timp δ variind după legea δ = δmax sin ωt, deci E1 şi E2 pulsând (apropiindu-se şi depărtându-se) prin pivotare în jurul punctului fix 0. În concordanţă cu pulsaţiile lui E1 şi E2, pulsează şi tensiunile U1 şi U2 din capetele liniei de interconexiune, tensiunea din mijlocul acestei linii U0’ rămânând însă tot timpul fixă, iar punctul 0’ constituind un nod.

Între cele două noduri circulă un curent de egalizare (sau pendulare) I dat de expresia:

91

C1 C2

E1 E2

Z1 Z2ZL

IA B

U1 U2

C1

C2

B

A

E1E2U1 U2

Z1IZ2IZLI

φ1

φ2

φL

0

0’

I

δmax

δmaxδ’max

Fig. 4.50 Schema echivalentă pentru pendulările de energie: a) schema echivalentă; b) diagrama fazorială a tensiunilor electromotoare

a)

b)θ

P

(4.64)

care poate atinge valori importante, în raport de diferenţa fazorilor E1 şi E2 (fig. 4.50b). În timpul pendulărilor dacă E1 = E2 = const., variaţia unghiului θ determină numai variaţia lui I.

(4.65)

Tensiunile în punctele A şi B sunt: (4.66) (4.67)

Printr-un calcul simplu se poate demonstra că, într-un punct oarecare P, de pe linia de interconexiune (fig. 4.50b), tensiunea şi impedanţa măsurate sunt:

(4.68)şi respectiv

(4.69)

unde adică procentul din jumătatea impedanţei liniei de interconexiune la

care se găseşte punctul P faţă de nodul 0’.Dacă toţi fazorii şi căderile de tensiune din fig. 4.50b, se împart la curentul I

atunci rezultă o diagramă cu aspect identic cu următoarele două deosebiri: 1) vectorii nu mai reprezintă tensiuni sau căderi de tensiune, ci impedanţe proporţionale cu cele sesizate de relee sau impedanţe ale elementelor reţelei; 2) scara nu mai este variabilă cu θ şi deci cu întrucât prin împărţire cu I s-a eliminat dependenţa scării de şi θ.

Reprezentând diagrama impedanţelor într-un sistem de coordonate (R, jX) şi fixând punctul A de la un capăt al liniei de interconexiune, în originea axelor de coordonate (punct în care se montează protecţia de distanţă) în diagrama rezultată (fig. 4.51), vectorul AO cu vârful O deplasându-se pe axa OO’, reprezintă valoarea

92

A 02

0’

01

0

BC2

C1

Z2

ZL

Z1

jX

RFig.4.51 Locul punctului de potenţial nul la pendulările de energie

tensiunii măsurate în procesul de pendulaţii la capătul A al liniei de interconexiune. Dacă această tensiune este măsurată de protecţia de distanţă din acest capăt al

liniei, care are o caracteristică de acţionare circulară, cu centrul în origine, se observă că există momente în care vectorul impedanţei măsurate se află în interiorul caracteristicii, deci se comandă declanşarea neselectiv nefiind defect, ci numai pendulaţii (pentru valori ale lui δ cuprinse între δ1 şi δ2, corespunzând punctelor O1 şi O2).

4.7.6 Stabilirea reglajelor protecţiei de distanţă

Reglajele protecţiei de distanţă se stabilesc pe zone de acţionare, atât în ceea ce priveşte valorile impedanţelor de pornire, cât şi timpii de acţionare ai acesteia (fig.4.52) [8, 13, 31].

Zona I de acţionare a protecţiei de distanţă se determină din condiţia dedesensibilizare la defecte pe bara B2 (la capătul liniei L1) şi imediat după aceasta la bornele dinspre L2 ale întrerupătorului I2 (fig. 4.52):

(4.70)În relaţia (4.70), reprezintă impedanţa de pornire a protecţiei 1, în zona I

de acţionare, în funcţie de impedanţa ZL1 a liniei protejate, proporţională cu lungimea liniei.

Coeficientul (0,8…0,9) este necesar din cauza erorilor de funcţionare ale releelor şi a impreciziei cu care se determină valoarea ZL1 (pot exista transpoziţii ale conductoarelor celor trei faze etc.).

Pentru zona II impedanţa de pornire care corespunde lungimii zonei II1

protejată de elementul de măsură a impedanţei al protecţiei 1, trebuie să ţină seama că din condiţia de selectivitate zona II1 a protecţiei 1, nu trebuie să intre în zona II2 a protecţiei 2, întrucât ambele au acelaşi timp de acţionare şi deci la defecte de exemplu în K2 ar putea acţiona neselectiv protecţia 1.

93

Z Z

B1

B2

B3 B4

B5

T

L1 L2

I1

A B

C K1 K2

K3

K4

I2 I3

I4

IA IA+IC

1 2

IppZ 1 II

ppZ 1 IIIppZ 1

ta

taI

taII

taIII

taIV

l[km](ZΩ)

Fig.4.52 Diagrama de acţionare a protecţiei de distanţă unidirecţională

De asemenea, zona II1 nu trebuie să ajungă până la barele B5, pentru ca eventualele defecte în K3 care nu au fost lichidate de protecţiile rapide ale elementelor pe care au apărut, să poată fi lichidate de protecţiile de rezervă, temporizate, ale elementelor respective, aceste protecţii temporizate având de regulă temporizări mai mari decât taII; dacă zona II1 ar ajunge la barele B5, la un defect în K3 ar putea acţiona neselectiv protecţia 1.

Impedanţa de pornire se obţine luând cea mai mică valoare dintre (4.71) şi (4.72):

(4.71)

(4.72)Însumând algebric fazorii şi rezultă o valoare acoperitoare, care

depăşeşte suma fazorială; în consecinţă, se adoptă cea mai mică dintre valorile calculate cu valorile de mai sus. S-a notat cu şi coeficienţii de repartiţie (sau ramificaţie) care determină modificarea impedanţei măsurate de releul de impedanţă 1 datorită supraalimentării dinspre sursa C, la un defect în K2, sau dinspre C şi B, la un defect în K3, pe barele de joasă tensiune ale transformatorului T. Pentru selectivitatea funcţionării, protecţia de distanţă trebuie desensibilizată în raport cu valoarea de pornire a treptei rapide a protecţiei 2, la un defect în capătul zonei protejate, în punctul K2. Raportând tensiunea remanentă pentru un scurtcircuit în K2

la curentul de defect, se obţine:

(4.73)

În relaţia (4.73), şi sunt curenţi de defect furnizaţi de sursele A, respectiv C, la un defect în K2.

Se observă că paranteza determină coeficientul de repartiţie >1

care intervine în expresia (4.71). Amplificând expresia (4.73) cu se obţine

94

valoarea de pornire ; analog, pentru (4.72), considerând în staţia de transformare T, toate transformatoarele în paralel (pentru a rezulta impedanţa minimă).

Valoarea de pornire pentru zona III se determină astfel; când există şi o zonăIV de protecţie, calculul pentru se face analog cu calculul reglajelor ; când zona III este ultima zonă de acţionare a protecţiei de distanţă aceasta nu mai este delimitată de elementul de măsură a impedanţei, ci este dată de elementul de pornire (Zpr). Analog se procedează când zona IV este ultima zonă de protecţie.

4.7.7 Verificarea sensibilităţii protecţiei de distanţă

În cazul unei protecţii de distanţă se verifică: sensibilitatea elementului de măsurat impedanţa şi sensibilitatea elementului de pornire a protecţiei. Sensibilitatea elementului de măsurat impedanţa se verifică cu relaţia:

(4.74)

ceea ce înseamnă că protecţia trebuie să acopere, cu zona II, cel puţin 25% din elementul următor, spre consumatori (fig. 4.52). Atunci când condiţia (4.74) nu este îndeplinită, se adoptă ; pentru asigurarea selectivităţii acţionării, treapta de timp este urcată la nivelul celei corespunzătoare zonei III a protecţiei de distanţă (linia întreruptă din fig. 4.52).

Sensibilitatea elementului de pornire al protecţiei de distanţă se verifică din:- condiţia de sensibilitate la suprasarcini, verificând dacă

;- condiţia de asigurare a funcţiei de rezervă a protecţiei, pentru defecte la

capătul opus elementului protejat:

(4.75)

În relaţia (4.75) se introduce, la numitor, fie impedanţa de linie , fie impedanţa unui transformator din staţia T, notată cu , cu un singur transformator în funcţiune pentru a rezolva valoarea maximă a impedanţei.

4.7.8 Funcţionarea protecţiei de distanţă ca dispozitiv complex de protecţie

După cum s-a menţionat anterior, protecţia de distanţă este o protecţie complexă, cuprinzând un ansamblu întreg de elemente principale:

- elementul de pornire (EP),- blocul rezistoarelor de putere (R),- elementul de comutare a căderilor de tensiune proporţionale cu curentul

buclei de defect (ECI),- elementul de comutare al tensiunilor secundare (ECU),

95

- elementul direcţional (ED),- elementul de timp (T),- elementul de măsură a impedanţei (EM),- elementul de blocare la defecte în circuitele secundare de tensiune (BTT),- elementul de blocare la pendulaţii (BP).Mai există în plus dispozitive de încercare, reglaj, etc., iar unele tipuri de

protecţii sunt prevăzute cu dispozitive de conectare la schema de RAR monofazat.Schema bloc a unei protecţii de distanţă cu un singur element de măsură este

reprezentată în fig.4.53 [8, 13, 31].Semnificaţia şi funcţiile elementelor componente este următoarea:

Elementul de pornire (EP) - conţinând patru relee maximale de curent (trei dintre acestea controlează curenţii de fază şi al patrulea curentul de secvenţă homopolară) sau trei relee de minimă impedanţă montate pe faze şi un releu maximal de curent homopolar – primeşte în permanenţă informaţii asupra regimului de funcţionare al liniei protejate prin mărimile secundare de la transformatoarele de curent şi tensiune TC şi TT şi comandă la rândul său pornirea elementului de timp (T) şi a elementelor de comutaţie în circuitele de curent (EC I) şi de tensiune (ECU).

96

ECU T

EP

R ECI

+

BTT BP ED EM

TC

TTS

I

Declanşare

Fig.4.53 Schema bloc a unei protecţii de distanţă cu un singur element de măsură

Blocul rezistoarelor de putere (R) este constituit din trei rezistoare parcurse de curenţii secundari de fază, conectate în stea şi un al patrulea rezistor conectat între steaua primelor trei şi steaua TC, parcurs de curentul de secvenţă homopolară. Blocul rezistoarelor de putere are rolul de a converti curenţii de fază şi curentul homopolar în căderi de tensiune proporţionale, care sunt prelucrate de celelalte blocuri ale protecţiei de distanţă.

Elementul de comutare a căderilor de tensiune proporţionale cu curentul buclei de defect (ECI), comută căderile de tensiune în rezistenţele R, astfel încât, în funcţie de tipul defectului, să fie aplicate elementului EM şi elementului ED căderile de tensiune necesare în vederea măsurării corecte a impedanţei de către elementul EM şi acţionarea corectă a elementului ED.

Elementul de comutare al tensiunilor secundare (ECU) efectuează în conformitate cu comenzile primite de la elementul de pornire EP, comutarea circuitelor de tensiune (în funcţie de tipul defectului şi de fazele pe care a apărut defectul), aplicând elementului de măsură EM – prin intermediul contactelor comutate de elementul de timp T (pentru zonele II, III şi IV) – şi elementului direcţional ED, tensiunile necesare pentru măsurarea corectă a impedanţei de către elementul EM şi pentru acţionarea corectă a elementului ED.

Elementul direcţional (ED) primeşte de la ECI şi ECU curentul respectiv tensiunea de defect şi stabileşte sensul de circulaţie al puterii în regim de defect. ED permite acţionarea protecţiei de distanţă numai pentru sensul de circulaţie al puterii de la bare spre linie şi numai în ultima treaptă de temporizare permite declanşarea indiferent de sens.

Elementul de timp (T) porneşte prin comanda de la EP şi marchează momentele corespunzătoare treptei I-a, a II-a, etc., asigurând în aceste momente trecerea elementului de măsură a impedanţei de pe caracteristica de acţionare a treptei I pe caracteristica treptei II-a etc.

Elementul de măsură a impedanţei (EM) primeşte de la ECI curentul de defect şi de la ECU prin intermediul elementului de timp tensiunea de defect, astfel încât EM împreună cu T realizează o caracteristică t=f(Z) în trepte crescătoare.

Elementul de blocare la defecte în circuitele secundare de tensiune (BTT) este necesară întrucât, la dispariţia accidentală a tensiunii secundare, determinată de arderea unor siguranţe sau întreruperea unor circuite secundare de tensiune, protecţiile de distanţă cu elemente de pornire de minimă impedanţă demarează şi comandă greşit deconectarea întrerupătorului în treaptă rapidă.

Elementul de blocare la pendulaţii (BP) sesizează existenţa unui asemenea regim anormal şi blochează protecţia de distanţă pentru a elimina posibilitatea acţionării greşite.

În alte tipuri de protecţii de distanţă pot exista câte două elemente de măsură a impedanţei pe fiecare fază, unul cu mărimile necesare în cazul scurtcircuitelor între

97

faze, iar celălalt – cu mărimile necesare în cazul scurtcircuitelor monofazate; în asemenea cazuri nu mai sunt necesare comutări nici în circuitele de tensiune, nici în circuitele căderilor de tensiune proporţionale cu valorile curenţilor ceea ce reprezintă un avantaj al acestor tipuri de protecţii.

Protecţiile de distanţă au avantajul că asigură selectivitatea în reţelele cu configuraţii foarte complexe, acţionând corect pentru toate tipurile de defecte şi sunt rapide pentru defectele din treapta I-a, adică pe o porţiune de circa 80% din lungimea zonei protejate.

Dezavantajul principal îl constituie lichidarea în treapta a II-a a defectelor pe o porţiune de circa 20% din lungimea liniei protejate (porţiune de la fiecare capăt al liniei), dezavantaj care poate fi eliminat prin realizarea unei protecţii de distanţă cu transmiterea unor semnale de comandă la capătul opus al liniei.

4.8 PROTECŢII DIFERENŢIALE ŞI COMPARATIVE ALE LINIILOR

4.8.1. Principiul de realizare

Lichidarea selectivă şi totodată rapidă a defectelor de pe liniile din reţelele complexe se poate obţine nu numai prin protecţia de distanţă, ci şi prin protecţii diferenţiale longitudinale, care compară sensurile curenţilor de la cele două capete ale zonei protejate [8, 13].

În cazul liniilor scurte, protecţia de distanţă nu poate da rezultate bune, eroarea posibilă în măsurarea impedanţei făcând imposibilă folosirea cu succes a treptei I, mai ales dacă se ţine seama de influenţa arcului electric.

De asemenea, defectele care apar pe o porţiune de aproximativ 60% din lungimea liniei sunt deconectate rapid numai de la un singur capăt, deconectarea de la celălalt capăt producându-se în treapta a II-a. Acest dezavantaj poate duce (în special în marile sisteme energetice) la pierderea stabilităţii sistemului precum şi producerea de perturbaţii asupra liniilor de telecomunicaţii. În sfârşit, pentru realizarea unei eficacităţi cât mai mari a reanclanşării automate, este necesară deconectarea simultană rapidă de la ambele capete.

Prin introducerea protecţiei comparative longitudinală se răspund acestor necesităţi, ea asigurând deconectarea simultană de la ambele capete ale liniei defecte, oriunde s-ar produce defectul.

Principiul de funcţionare al protecţiei comparative longitudinale constă în aceea că ea comandă declanşarea întrerupătorului pe baza comparării unor mărimi de

98

la cele două capete ale liniei, pentru transmiterea comenzii fiind necesară întotdeauna o legătură între cele două capete ale liniei care este realizată prin cabluri de joasă tensiune sau telefonice, iar mai recent printr-un canal de înaltă frecvenţă, care foloseşte conductoarele liniei protejate, sau prin radio.

Protecţiile comparative longitudinale se realizează în două variante: cu curenţi de circulaţie, în care caz se compară sensul (convenţional) de

circulaţie al curenţilor de la cele două capete ale liniei pe baza principiului diferenţial;

cu echilibrarea tensiunilor, în care caz se compară căderile de tensiune de la bornele rezistenţelor montate în secundarul transformatoarelor de curent de la cele două capete ale liniei.

4.8.2 Protecţia comparativă longitudinală cu curenţi de circulaţie.

Pentru realizarea protecţiei, la începutul şi la sfârşitul elementului protejat se instalează transformatoare de curent TC cu rapoarte de transformare identice. Înfăşurările secundare ale TC de pe faza respectivă se leagă între ele, iar în paralel cu ele se conectează înfăşurarea releului de curent (fig. 4.54) [8].

Curenţii secundari ai transformatoarelor de curent de la cele două capete sunt comparaţi între ei, ca valoare şi fază, iar această comparaţie permite (ca la orice protecţie diferenţială) determinarea poziţiei defectului (în interiorul sau în exteriorul liniei protejate).

Pentru determinarea curentului în releu, este necesar să se stabilească pentru toţi curenţii din schemă sensuri pozitive convenţionale. Conform schemei se poate scrie:

Ir = Is1 – Is2 (4.76)Curentul din releu este egal cu diferenţa fazorială a curenţilor din secundarul

celor două TC. În conductoarele care leagă înfăşurările secundare ale TC circulă

99

I-I

TC1 TC2

Fig. 4.54 Schema de principiu monofilară a protecţiei diferenţiale longitudinală cu curenţi de circulaţie

I-I 1 2

Is1 Is2

Is2

Is1

K

Ip1 Ip2

curenţi egali cu curenţii secundari ai TC. Din această cauză, protecţia se numeşte diferenţială, iar schema se numeşte schema cu curenţi de circulaţie.

În funcţionare normală sau în cazul unui scurtcircuit în afara zonei limitate de TC, curenţii primari de la cele două capete ale liniei, Ip1 şi Ip2 sunt egali ca valoare şi coincid ca fază (săgeţile trasate continuu). Dacă raportul de transformare este acelaşi, curenţii secundari Is1 şi Is2 sunt teoretic egali, curentul în releu fiind teoretic egal cu zero:

Ir = Is1 – Is2 = 0 (4.77)iar releul nu acţionează.

În cazul apariţiei unui defect pe linie în zona limitată de TC (în punctul K), curenţii Ip1 şi Ip2 nu sunt în general, egali şi nu coincid ca fază (săgeţile cu linie întreruptă). Curentul la locul defectului va fi:

Iscc = Ip1 + Ip2 (4.78)De aceea curentul în releu va fi:

Ir = Iscc /nTC (4.79)În caz de alimentare a liniei dintr-un singur capăt (de exemplu dacă Ip2 =0)

rezultă: Ir = Is1 =Iscc /nTC (4.80)

Dacă Ir Ipr releul acţionează şi deconectează elementul defect.Din cele expuse, se observă că protecţia, conform principiului ei de

funcţionare, acţionează numai în cazul unui defect în zona protejată, limitată de transformatoarele de curent.

Schema cu curenţi de circulaţie în execuţia analizată cu TC standardizate, se poate utiliza numai pentru protecţia elementelor de circuit care nu depăşeşte câteva sute de metri. Pentru lungimi mai mari se poate întâmpla ca secţiunea conductoarelor auxiliare să rezulte foarte mare, mai mare decât secţiunea conductoarelor liniei protejate.

4.8.3 Protecţia diferenţială longitudinală cu echilibrarea tensiunilor

Principiul de realizare şi funcţionare a unei protecţii diferenţiale longitudinale cu echilibrarea tensiunilor este prezentată în fig.4.55 din care se observă că releele diferenţiale se conectează în serie în circuitul diferenţial [8, 13].

100

R R

TC1 TC2L

Fig. 4.55 Schema de principiu monofilară a protecţiei diferenţiale longitudinală cu echilibrarea tensiunilor

I-I 1 I-I2

În regim normal de funcţionare s-au la scurtcircuite exterioare, t.e.m. de la bornele secundarelor TC sunt egale şi în opoziţie, deci prin circuitul diferenţial şi prin relee nu circulă curent, protecţia fiind în repaus. La un scurtcircuit pe linia protejată, datorită schimbării sensului convenţional al curentului de la unul din capete, cele două tensiuni electromotoare devin aproximativ în fază şi prin circuitul diferenţial (şi relee) circulă un curent mare, care provoacă acţionarea protecţiei.

Rezistenţele R sunt necesare deoarece în absenţa lor TC1 şi TC2 în regim normal al liniei – când prin circuitul diferenţial al liniei nu circulă curent – ar funcţiona în gol, ceea ce nu este permis. Principiul de funcţionare al schemei rămâne acelaşi, în locul celor două t.e.m., circuitului diferenţial aplicându-i-se căderile de tensiune de la bornele rezistenţelor R.

4.8.4. Protecţia prin canal de înaltă frecvenţă

Protecţiile liniilor electrice aeriene prin înaltă frecvenţă utilizează drept canal pentru transmisia informaţiei de la cele două capete ale liniei protejate un canal de înaltă frecvenţă, fie conductoarele liniei de înaltă tensiune, fie canale radio.

Schema de principiu a protecţiei prin canale radio este prezentată în fig. 4.56.

Protecţiile prin înaltă frecvenţă care folosesc canale radio se bazează pe utilizarea unor instalaţii de emisie – recepţie (E,R), cu cablu coaxial (CC) şi antenă radio (AR) lucrând pe frecvenţe foarte înalte, în acest caz în locul cablului coaxial putându-se folosi, pentru conducerea semnalului ghiduri de undă. Pentru liniile foarte lungi sunt necesare instalaţii de radiorelee, pentru retransmisie pe parcurs.

Canalele de înaltă frecvenţă, pot servi şi pentru realizarea “interdeclanşării” protecţiilor de distanţă, în sensul prelungirii zonei I de acţionare a acestora (la un

101

E R

E R

AR AR

CC CC

A B

I1 I2LEA

Fig. 4.56 Protecţii prin înaltă frecvenţă cu canale radio

1 2

defect în zonă, cel puţin una din protecţiile de distanţă acţionează şi transmite un semnal de declanşare la capătul opus al liniei protejate) [31, 44].

Protecţiile prin înaltă frecvenţă sunt: protecţii direcţionale cu blocaj prin înaltă frecvenţă; protecţii diferenţiale de fază.

4.8.4.1. Protecţii direcţionale cu blocaj prin înaltă frecvenţă

Realizate pe acelaşi principiu cu secţionările de curent direcţionale, protecţiile direcţionale cu blocaj prin înaltă frecvenţă, compară sensurile convenţionale ale curenţilor de la capetele liniei protejate. Prin canalele de înaltă frecvenţă se transmit semnale de blocare a protecţiilor. Elementele de pornire ale protecţiilor direcţionale care sesizează sensul de circulaţie al curentului de la linie la bare, transmit protecţiei de la cealaltă extremitate, semnale de blocare, deci nici una din protecţiile direcţionale ale unei linii pe care nu s-a produs un defect nu poate acţiona la declanşare (fig.4.57).

La un defect în K pe L2, vor acţiona releele direcţionale 1, 3, 4 şi 6 şi determină blocarea emiţătoarelor de la ambele capete ale liniei L2 ca urmare a funcţionării simultane a protecţiilor 3 şi 4. Liniile L1 şi L3 nu sunt deconectate pentru că releele direcţionale 2 şi 5 de sens opus, nu au lucrat şi deci nu comandă blocarea emiţătoarelor din punctele respective, care continuă să emită semnale de întârziere (blocare), recepţionate atât la locul de instalare a protecţiei, cât şi la capătul opus al liniei [31, 44].

4.8.4.2. Protecţii diferenţiale de fază

Protecţia comparativă de fază este o protecţie diferenţială care funcţionează pe baza comparării fazelor curenţilor de la cele două capete ale zonei protejate [8].

102

1 2 3 4 5 6

I1 I2

I3 I4 I5 I6

L1 L2 L3Blocheazăprotecţia

Blochează protecţia

Fig. 4.57 Formarea semnalelor de blocare pentru emiţătoarele de la capetele liniei

În funcţionare normală (sau în cazul unui defect exterior) curenţii la cele două capete ale liniei sunt în fază, adică trec prin valoarea zero în acelaşi moment.

Dispozitivul protecţiei comparative de fază realizează transmiterea unui semnal (printr-un canal de înaltă frecvenţă) de la fiecare capăt către celălalt în momentul trecerii prin zero a curentului de la capătul respectiv. Dacă semnalul primit la un capăt nu coincide în timp cu trecerea prin valoarea zero a curentului de la celălalt capăt, se comandă declanşarea întrerupătorului.

În cazul unui defect pe liniile alimentate de la un singur capăt, de la capătul alimentat nu va sosi spre sursă nici un semnal (din cauză că nu circulă curent), însă protecţia este realizată astfel încât comandă declanşarea.

103