PROTECŢIA PRIN DECONECTAREA AUTOMATĂ A SECTORULUI DEFECT Utilizarea acestui tip de protecţie se află în continuă extindere. Totuşi, din cauza costurilor suplimentare, nu se utilizează decât ca protecţie suplimentară pe lângă protecţia prin legare la pământ sau la nul şi numai în sectoarele unde pericolul este mare. Schemele de protecţie cunoscute se pot grupa în două categorii principale: - protecţia automată care acţionează la apariţia unor tensiuni de atingere periculoase (P.A.T.A.); - protecţia automată care acţionează la apariţia unor curenţi de defect periculoşi (P.A.C.D.); 1. Protecţia automată în cazul apariţiei unor tensiuni de atingere periculoase (P.A.T.A.) Prin această protecţie se urmăreşte scoaterea de sub tensiuni de atingere periculoase a elementelor bune conducătoare de electricitate, care în mod normal nu fac parte din circuitele curenţilor de lucru. Fig.1 Instalaţia de protecţie (fig.1) se compune din: contactorul k 1 al motorului electric M, releul de protecţie k 2, care acţionează asupra întrerupătorului 1k 2 normal închis la apariţia unei tensiuni de atingere periculoase, dispozitivul de control S 3 al bunei funcţionări a instalaţiei, toate acestea fiind adeseori montate în aceeaşi carcasă. Instalaţia mai cuprinde: priza de pământ auxiliară R a, amplasată într-o zonă de potenţial nul, conductorul C a pentru legarea releului k 2 la priză şi conductorul C p pentru legarea aceluiaşi releu la carcasa utilajului. Deci bobina releului de protecţie k 2 este montată între carcasa utilajului şi priza auxiliară R a, acţionând la apariţia
tensiunii de defect (sau de atingere). Protecţia intervine atunci când obiectul de protejat nu este legat la o priză de pământ sau când această legătură a fost deteriorată. Releul k 2 acţionează la apariţia unei tensiuni pe motor, în raport cu propria priză de legare la pământ R a. Sistemul funcţionează numai în reţele cu nulul pus la pământ, în care circuitul bobinei k 2 poate fi închis. Releul trebuie să deconecteze la o tensiune de defect de cel mult 24V dacă rezistenţa prizei auxiliare de pământ este de 800Ω. În general tensiunile la care intervine declanşarea sunt mai mici (fig.2.a.). Fig.2.a. - Domeniul de declanşare al releului de protecţie în funcţie de rezistenţa prizei auxiliare Fig.2.b. Diagrama vectorială În figura 2.b. este indicată diagrama vectorială a tensiunii de anclanşare a releului de protecţie, montat într-o reţea cu nulul pus la pământ. Deci: U decl =I decl ( R + R R ) 2 ( ) 2 aux + 0 + ωl unde R rezistenţa bobinei releului de protecţie [Ω] R 0 rezistenţa prizei de pământ a nulului reţelei R aux rezistenţa prizei de pământ auxiliare [Ω] ωl reactanţa bobinei releului R p [Ω] este cuprinsă între 12 60 ma (în general I decl =40mA). I decl curentul de declanşare [A], a cărui valoare Dar R 0 << R+R aux deci tensiunea de declanşare se poate scrie: U decl = I decl ( ) ( ) 2 + R 2 + L [V]. În general U decl =10 24 V. R aux ω Timpul total de deschidere (timpul propriu de deschidere plus durata arcului) a releului de protecţie depinde de valoarea tensiunii de defect. Astfel dacă tensiunea este mai mică de 30V, declanşarea se face în cel mult 0,5 sec.; la o valoare 30V, declanşarea se face în mai puţin de 0,2 sec.. Releele care pot fi folosite pentru protecţie împotriva tensiunilor de atingere trebuie să aibă timpul de declanşare sub 0,1 sec., deci se poate considera că acţionează instantaneu, ceea ce constituie un avantaj esenţial al acestui tip de protecţie. Dispozitivul de control S 3 este compus dintr-un întrerupător şi o rezistenţă de limitare R. Acest dispozitiv se foloseşte pentru testatea periodică a sistemului. Prin
apăsarea butonului este simulat defectul, prin legarea unei faze la k 2, rezistenţa R limitând curentul de simulare. Prin cel de-al doilea contact al butonului S 3 este luată şi măsura de protecţie împotriva apariţiei tensiunii de defect (de probă) pe carcasa motorului. Dacă instalaţia se găseşte în stare bună, se produce declanşarea. În acest fel sunt verificate: contactul releului, bobina lui, întrerupătorul automat, priza de pământ auxiliară, conductorul dintre releul k 2 şi priza auxiliară. Se recomandă efectuarea unui control odată pe lună. În ceea ce priveşte executarea instalaţiei de protecţie se pun următoarele probleme: - în cazul în care carcasele utilajelor sunt în legătură cu pământul, este necesar să se izoleze bine conductorul auxiliar C a faţă de pământ, conductorul de protecţie C p putând rămâne neizolat. Se procedează invers în cazul utilajelor izolate faţă de pământ. - priza de pământ auxiliară trebuie plasată într-o zonă de potenţial nul. În caz contrar se şuntează bobina releului de protecţie. În general este suficient ca priza auxiliară să fie instalată la 20m de priza la care sunt legate carcasele utilajelor. Se recomandă ca rezistenţa prizei auxiliare să nu depăşească 200Ω. Doar în cazuri excepţionale, de exemplu în pământ stâncos sau nisipos se admite şi 800Ω, dar declanşarea are loc la o tensiune de defect de 65V (fig. 2.a). 2. Protecţia automată în cazul apariţiei unor curenţi de defect periculoşi (P.A.C.D.) Acest tip de protecţie intervine atunci când pe un traseu fază-carcasă-pământ apare un curent superior valorii sarcinii date şi inferior curentului de declanşare a protecţiei maximale. Principalele tipuri de scheme sunt următoarele: a) scheme care acţionează la componenta homopolară; b) scheme ce se bazează pe folosirea curenţilor operativi c) scheme de protecţie diferenţială. Se vor studia pe rând: 2.1. Schema ce acţionează la componenta homopolară Aceste scheme se folosesc în cazul reţelelor izolate faţă de pământ şi se bazează pe deplasarea nulului sistemului trifazat de alimentare la apariţia unui defect. Între nulul receptorului (motorului) şi nulul de lucru al reţelei de alimentare se înseriază un releu de curent k 2 care poate fi legat direct sau prin intermediul unui transformator de curent TRC. Schemele de protecţie cu acţionare pe bază de curenţi homopolari se împart la rândul lor în două categorii: - releul de protecţie este conectat între nului sursei de alimentare si pământ (fig.3.a); - releul de protecţie este conectat între un nul artificial şi pământ (fig.3.b). Nulul este făcut din trei impedanţe cu rezistenţă mare, montate în stea.
Fig.3.a. schema P.A.C.D. care acţionează la componenta homopolară Fig. 3.b. Dezavantajele acestor scheme constau în: - rezistenţa releului de protecţie Rp trebuie să fie mare, pentru a putea decupla la curent de defect periculos (I d 30mA) şi la o tensiune de atingere sub 40V. - o bună izolare a neutrului sursei de alimetare; ca urmare aceste scheme nu se prea găsesc în practică.
2.2. Scheme de protecţie cu curenţi operativi Schemele de protecţie ce folosesc curenţi operativi se utilizează, ca şi cele precedente, în reţelele cu nul izolat. Ele au ca principiu aplicarea între fazele reţelei şi pământ, a unei surse de tensiune auxiliare, numită sursă de tensiune operativă (S.T.O.). Curentul care se stabileşte prin acest circuit se numeşte curent operativ (fig.4). În lipsa defectului, curentul operativ nu comandă deconectarea circuitului de protecţie. Când rezistenţa de izolaţie scade sub limita admisă, curentul operativ creşte şi protecţia funcţionează. Avantajul schemei constă în aceea că se pot controla atât valorile relative, cât şi cele absolute ale rezistenţei de izolament. Pentru a limita circulaţia curenţilor capacitivi (deoarece valoarea curentului de măsurat, operativ, depinde numai de rezistenţa de izolaţie, nu şi de capacităţile fazelor reţelei faţă de pământ), sursa STO este de curent continuu (se foloseşte o punte redresoare). În serie cu aceasta se montează o impedanţă de netezire X 0. La fel ca şi X f1..3, X 0 are rezistenţa mică si inductanţa mare (de altfel ca şi în schema din fig.3.b). Schema conţine un dispozitiv de control DC. Dintre dezavantaje se amintesc: gabarit mare, cost ridicat, posibiliatatea de utilizare numai la surse de alimentare cu neutrul izolat. Ca urmare nici acest tip de schemă nu se mai utilizează în practică. Fig.4 schema de protecţie cu curenţi operativi
2.3. Scheme de protecţie diferenţială Schemele de protecţie diferenţială se pot utiliza în orice tip de reţea de alimentare. Principiul general de funcţionare al acestor scheme într-o reţea cu patru conductoare este indicat în fig.5.a. şi b. Fig. 5.a. - Protecţie diferenţială monofazată Fig. 5.b. Protecţie diferenţială trifazată După cum se observă, curentul de lucru al consumatorilor trece prin înfăşurările primare ale transformatorului de curent TC. În secundarul acestuia se găseşte bobina releului de protecţie k 2. Dacă nu există nici un defect, suma geometrică a curenţilor de intrare şi de ieşire din zona protejată (cuptorul C din fig.5.a.) în orice moment va fi egală cu zero, deci şi fluxul rezultant va fi nul. Dacă însă la un echipament, legat la pământ, apare
un defect, echilibrul este perturbat din cauza curentului de defect spre pământ. Curentul rezultant va fi diferit de zero, deci fluxul rezultant va fi diferit de zero, deci în secundarul transformatorului va apărea o tensiune care determină circulaţia unui curent prin bobina releului de protecţie. Dacă curentul diferenţial din transformatorul TC ajunge la o anumită intensitate, denumită intensitatea curentului de defect nominal, declanşarea întrerupătorului se face într-o fracţiune de secundă. Deci declanşarea schemei depinde de existenţa unui anumit curent de defect şi nu de existenţa unei tensiuni de defect. Schema este prevăzută şi cu dispozitiv de control S 1. Transformatorul TC trebuie să satisfacă condiţii severe în ceea ce priveşte simetria şi precizia. Mecanismul de declanşare al releului k 2 trebuie să fie în perfectă stare de funcţionare. De asemenea, pentru ca să poată exista o circulaţie de curenţi de defect, este necesar ca toate echipamentele protejate să fie legate la pământ, chiar la prize naturale (conducte de apă, etc.). Prin aceasta P.A.C.D. se deosebeşte esenţial de P.A.T.A., unde racordarea echipamentelor electrice la prize de pămţnt naturale este în general nedorită (priza auxiliară putţnd intra în zona de potenţial a prizei naturale). Valoarea rezistenţei instalaţiei de legare la pământ este limitată de raportul dintre valoarea maximă admisă a tensiunii de atingere şi curentul de defect nominal al releului de protecţie k 2, de exemplu: U a 24 R p = = 800Ω, deci R p 800Ω. I 0,03 dn Pentru a evita greşeli, se recomandă realizarea unei legături electrice între carcasele utilajelor protejate prin P.A.C.D. (ca în fig.5 de exemplu). Protecţia diferenţială trifazată cu 3 relee de curent se fooseşte la echipamente cu preţ ridicat (generatoarele din centralele electrice, transformatoarele de putere, în instalaţiile industriale cu pericol crescut). Dezavantajul lor principal este că nu acţionează la diferenţe între curenţii pe 2 faze. Protecţia P.A.C.D. diferenţială este cea mai utilizată dintre toate schemele de protecţie prin relee. În afară de schema studiată, mai există multe alte variante, dar cea din figura 5 este cea mai răspândită. Avantajul schemelor P.A.C.D. faţă de P.A.T.A. este selectivitatea lor dacă se montează pentru fiecare echipament electric în parte. De asemenea la aceste scheme nu există un conductor de legătură între carcasele utilajelor şi instalaţia de protecţie. 3. Desfăşurarea lucrării de laborator În laborator de vor realiza schemele care reprezintă P.A.T.A. şi P.A.C.D. diferenţială. 1. Se identifică elementele schemelor şi se studiază modul de funcţionare. 2. Se realizează la şirul de cleme schema P.A.T.A.. Se simulează un defect, cronometrându-se timpul de declanşare. 3. Se realizează la şirul de cleme schema P.A.C.D.. Se simulează un defect, cronometrându-se timpul de declanşare.