informatii despre bobina de stingere dintr-o statie electrica

[catax4u]

Va salut. Ma puteti ajuta va rog cu mai multe informatii despre bobina de stingere(de compensare) din statiile electrice. Spre ex. rolul transformatoarelor de curent si de tensiune ale bobinei sau de la ce valoare a curentului capacitiv se foloseste o astfel de bobina, e folosita doar pentru neutralizarea arcului electric ce apare intre linie si pamant? daca este o punere la pamant neta cum se comporta bobina? Informatii de genul acesta. Am oarece idei dar insuficiente.

[rasputin]

Am să încerc să vă răspund eu. Pentru că puţini dintre electricieni cunosc această bobină, pentru că mult mai puţini dintre electricieni ajung să le vadă în realitate şi cu atît mai puţin să le vadă în lucru, povestea o să fie oleacă mai detaliată, dar, negreşit, voi încerca să răspund şi la întrebările dvs.

 

 

 

  Bobina de stingere

(cunoscută şi sub numele de bobina Petersen, după numele inginerului neamţ, Waldemar Petersen , inventatorul ei)

 

Constructiv e vorba de o bobină în interiorul căreia se poate mişca un miez magnetic. Bobina este plasată într-o cuvă metalică similară cu cuvele transformatoarelor electrice, la fel ca la transformatoare, cuva este umplută cu ulei şi comunică cu un Conservator cu ulei. Rolul uleiului e similar cu cel din transformatoare, adică ajută la răcire şi asigură izolaţia electrică.

Miezul magnetic mobil este prevăzut cu un dispozitiv de acţionare dotat cu servomotor.

Aşa cum aţi intuit, mişcarea miezului în bobină duce la modificări ale inductanţei acestei bobine, în funcţie de cît de mult este introdus s-au scos miezul din interiorul ei. Urmare a acestui fapt e că într-un circuit electric în care este legată această bobină, situaţia este percepută drept modificare a reactanţei.

Sînt şi variante constructive cu miezul fix, modificarea inductanţei făcîndu-se cu ajutorul unei înfăşurări auxiliare alimentate în curent continuu.

Simbolurile folosite pentru această bobină sînt cele de mai jos

 

La ce foloseşte o astfel de bobină?

Vrem-nu-vrem, nimerit e să ne aducem aminte de modul în care este construit generatorul electric, de modul cum sînt realizate conexiunile acestuia.

Toţi ştim că în producţia, transportul şi distribuţia energiei electrice, s-a impus sistemul trifazat, asta înseamnă că generatorul electric are sarcina de a produce trei tensiuni electrice, decalate în timp şi spaţiu cu 120º. Pentru a putea face treaba asta, înfăşurările generatorului sînt decalate spaţial sub un unghi de 120º.

Aşa cum ştim, înfăşurările se pot lega în triunghi sau în stea, fiecare tip de legătură avînd anumite particularităţi, astfel:

Legăturii în triunghi îi este caracteristic faptul că tensiunea de fază este egală cu tensiunea de linie, la legătura în stea nu mai avem această egalitate. La legătura în stea, tensiunea de linie este mai mare decît tensiunea de fază cu √3. Aceste aspecte fac ca şi curenţii ce circulă prin conductoarele liniei de transport să fie diferiţi.

În cazul legăturii în triunghi, curentul de linie este cu √3 mai mare decît în cazul legăturii în stea.

Se ştie că pierderile de energie pe linia de transport, dar şi în generator cresc odată cu creşterea curentului ce trece prin linia electrică, treaba asta, alături de faptul că legăturii în triunghi îi corespunde un curent de linie mai mare decît în cazul legării în stea, au făcut ca generatoarele electrice utilizate în centralele electrice  să aibă înfăşurările conectate în stea.

Punctul unde sînt conectate între ele cele trei înfăşurări la legarea în stea, se numeşte punct neutru, s-au, simplu, neutru.

Punctul neutru e un criteriu folosit în clasificarea reţelelor electrice, potrivit acestui criteriu avem:

- Reţele cu neutrul izolat

În figura de mai jos e un exemplu de staţie electrică cu neutrul izolat.

Fig.1

 

- Reţele cu neutrul tratat prin bobină de stingere

  Fig.2

 

 

 

- Reţele cu neutrul legat la pămînt prin rezistor

 

  Fig.3

 

 

Reţele cu neutrul legat la pămînt

  Fig.4

 

Acest ultim caz e caracteristic reţelelor cu tensiunea nominală de 4 ÷ 25KV din SUA. Sistemul nu-i diferit de cel al reţelelor cu tensiune mai mică de 1000V.

 

Fiecare din modurile de tratare a neutrului au avantaje şi dezavantaje. Pentru că aici interesează doar tratarea cu bobină de stingere, am să arăt cîteva din avantajele şi dezavantajele specifice.

De regulă metoda se aplică liniilor electrice în cablu, date fiind capacităţile mari specifice acestor linii.

 

Avantaje:

- Nu este nevoie a se deconecta linia la apariţia primului defect de punere la pămînt.

- Curent redus la locul de defect (cu condiţia ca bobina să lucreze corect, adică în regim de rezonanţă)

- Elimină procesele de ferorezonanţă ce ar duce la saturarea miezurilor transformatoarelor de măsură şi a celor de putere

- Se crează condiţii de autostingere a arcului electric .

 

Dezavantaje:

- Apariţia de supratensiuni

- Posibilitatea deplasării punctului neutru ca urmare a fenomenelor de rezonanţă

- Posibilitatea producerii de asimetrii în sistem

- Este dificilă găsirea locului defectului

- Dificultăţi în a lucra releele de protecţie dat fiind valoarea redusă a curenţilor de defect

- Creşte riscul de electrocutare a personalului s-au a altor persoane ajunse în zona de defect

- Posibilitatea deplasării  punctului neutru ca urmare a unei supracompensări a curentului de defect.

 

După cum vedeţi, are şi bune, are şi rele, metoda se preferă la tratarea neutrului la liniile electrice în cablu.

 

Mai departe, considerăm o linie electrică în cablu, o linie cu neutrul izolat.

  Fig.5

 

În figură s-au omis capacităţile dintre faze, au fost reprezentate doar capacităţile faţă de pămînt. Aceste capacităţi sînt reprezentate drept condensatori şi sînt notate, în figură, cu: CA, CB, şi CC.

Prin aceste capacităţi circulă curenţii  ICOA, ICOB, şi ICOC, aceşti curenţi se unctu prin pămînt.

Cele trei capacităţi, la modul unctual,  sînt legate în stea, unctual de legătură fiind pămîntul. La bornele acestor capacităţi se aplică tensiunile trei tensiuni,  UA, UB, şi UC. Aceste tensiuni sînt egale între ele şi egale cu UΦ, care nu este altceva decît tensiunea de fază. După cum vedeţi, reprezenterea tensiunilor s-a făcut tot faţă de potenţialul pămîntului, adică locul prin care cele trei capacităţi sînt legate între ele.

În lipsa unui defect de izolaţie, cele trei capacităţi sînt egale CA = CB = CC, de aici rezultă şi egalitatea celor trei curenţi, ICOA = ICOB = ICOC.

Cum unctual de legătură al capacităţilor (condensatorilor) nu e altceva de cît un nod de reţea, rezultă că suma algebrică a acestor curenţi este egală cu zero.

În partea dreaptă a figurii este reprezentat, vectorial, sistemul de curenţi şi tensiuni, după cum vedeţi, un sistem echilibrat.

 

Acu’ gîndim o situaţie de defect.

Fig.6

 

Conductorul fazei A, se deteriorează, apare un defect de izolaţie, se amorsează un arc electric între acest conductor şi pămînt. Urmare a acestui fapt este dispariţia capacităţii CA, la modul practic ea este şuntată (scurtcircuitată) de arcul electric.

Cele de mai sus fac ca tensiunea de fază, UA, să fie egală cu zero.

Prin şuntarea lui CA, condensatorii CB şi CC (punctul lor de legătură) ajung în contact cu faza A, urmare a acestui fapt e alimentarea lor nu la tensiune de fază ci la tensiune de linie, adică la o tensiune mai mare, asta face ca prin ei să circule curenţi de valoare mai mare decît cei din situaţia normală.

Acum avem:  UB = UC = UЛ , ele sînt tensiuni de linie. Curenţii prin cele două capacităţi sînt: I’CB şi I’CC, curentul de linie al fazei A este IC.

 

I’CB = I’CC ≠IC. asta face ca suma celor trei curenţi să fie diferită de zero, în acest fel potenţialul punctului de legătură a celor două capacităţi nu mai este de zero volţi, el ia alte valori.

Simplist vorbind, am putea spune că e firesc, pînă la urmă defectul nu a făcut decît să lege acest punct de potenţialul liniei fazei A. Adevărul e că lucrurile nu sînt deloc simple, de la tensiuni de fază am trecut la tensiuni de linie, potenţialul liniei corespunzînd fazei A a ajuns punct de referinţă, adică de potenţial zero, asta face ca tensiunile corecpunzătoare lui UB şi UC să se modifice, ele devin U’B şi U’C

În figura de mai sus se poate vedea reprezentarea vectorială a situaţiei.

Un astfel de defect, la o reţea cu neutrul izolat, produce supratensiuni în fazele sănătoase a căror valori pot fi cu √3 mai mari decît în situaţia normală, asta în regim stabil, în regimul de tranziţie supratensiunea putînd fi de 2,4 s-au chiar trei ori mai mare.O situaţie şi mai defavorabilă e aceea în care arcul electric se stinge şi reaprinde, supratensiunile în acest caz pot fie gale cu de 3,46 ori tensiunea de fază.

Pentru a fi mai uşor de intuit de unde provin supratensiunile, ataşez următoarele figuri

  Fig.7

În această figură, fiecare din înfăşurările primarului transformatorului au fost reprezentate ca o înseriere a unei surse de tensiune electromotoare (ea, eb, ec), a unei inductanţe L şi a unei rezistenţe R. Pe lîngă capacităţile fază pămînt, sînt reprezentate şi capacităţile dintre faze. 

În figura următoare se prezintă regimul stabil de defect.

 

  Fig.8

 

În această figură, faza cu defect de izolaţie este încadrată în chenar roşu; se observă destul de uşor înserierea ei cu fazele sănătoase.

 

Din cele de mai sus concluzionăm că acest gen de defect perturbă serios reţeaua electrică, motiv pentru care se tratează neutrul reţelelor de transport şi distribuţie, de medie şi înaltă tensiune, cu ajutorul bobinei de stingere.

Modul de legare a unei astfel de bobine se prezintă mai jos.

 

Fig.9

 

 

În figură, cu LK a fost notată bobina Petersen.

În figura de mai jos apar trecuţi şi curenţii.

 

Fig.10

 

În această figură, în plus faţă de celelalte, apare curentul IL.Ambii curenţi străbat faza A şi locul de defect. Ei sînt defazaţi cu 180º unul faţă de celălalt.

Curentul  IL, are rolul de a anula curentul capacitiv IC, în acest mod se împedică dezvoltarea defectului. La modul practic, avem doar o reducere a acestui curent la valori considerate ca nefiind periculoase, undeva la 10 ÷ 30A, evident dependente de tensiunea liniei şi felul ei (linie în cablu s-au aeriană). Tocmai aceste valori mici ale curentului fac dificilă găsirea locului unde se află defectul.

În figura următoare avem cazul unei staţii electrice.

 

Fig.11

 

 

Din staţie pleacă trei fideri, pe unul din ei (L3) avrm un defect de izolaţie. Transformatorul de protecţie homopolară (TPH) “vede” defectul şi îl semnalizează. Limitarea curentului de defect o face bobina Petersen, această bobină este legată la punctul neutru al primarului transformatorului de servicii interne (T).

 

Legat de întrebări.

 

Bobinele de stingere se construiesc pentru  curenţi cuprinşi între cîţiva zeci şi sute de amperi (60 ÷ 400)A  (or fi şi mai mari, da’ eu n-am idee), puterile aparente fiind de vreo 1500 ÷ 1600KVA.

Doar ca simplu fapt divers, relaţia de calcul a puterii necesare a acestor bobine este:

Q = n × IC × UΦ  [KVA] unde:

- UΦ, este tensiunea de fază [KV]

- IC, este curentul capacitiv de defect [A]

IC = 3ωC UΦ

- n, un coeficient a cărui valoare este cuprinsă între 1,1 şi 1,25. Acest coeficient ţine cont de o eventuală extindere a reţelei

 

Punere la pămînt la maniera s-o numim netă, precum şi o punere la pămînt parţială nu sînt descrise şi nici tratate în literatura de specialitate, motivul fiind simplu, explicaţia este simplă. Pentru a fi uşor de sesizat aspectele, îndemn la desenul de mai jos.

Fig.12

 

Am considerat un singur conductor al unei linii electrice în cablu. Conductorul este îngropat în pămînt şi e prezentet în trei situaţii, anume regim normal de funcţionare, scădere parţială de izolaţie şi pierderea totală a izolaţiei.

În regim normal de exploatare cablul prezintă un anumit grad de izolaţie faţă de pămînt. Această izolaţie am prezentat-o în figură ca fiind înserierea a două rezistenţe (doi rezistori).

Cu (1) am notat rezistenţa de izolaţie a cablului, e o mărime constructivă a cablului şi depinde de proprietăţile materialului izolant folosit la fabricarea cablului.

Cu (2) am notat rezistenţa de contact între suprafaţa izolaţiei şi pămînt ( e bine de specificat, în exemplu am ales un cablu fără manta de metal)

Cum cei doi rezistori înseriaţi nu au o valoare infinită, ce-i drept au o valoare mare, dar finită, prin izolaţia cablului şi prin locul de contact cu pămîntul circulă un curent, numit uneori şi “curent de scurgere”

Fiecare din cei trei conductori (trei cable) ai liniei electrice prezintă aceşti curenţi, în fig.5, sînt reprezentaţi aceşti curenţi. E o situaţie normală, că e de dorit ca aceşti curenţi să fie cît mai mici e altă poveste, o poveste ce ţine de materialele utilizate la construcţia cablului, mai exact de calitatea lor, adică ajungem la discuţii legate de preţ (cost), nu-i cazul să îndemnăm la ele.

În mijlocul fig.12 am prezentat situaţia în care s-a amorsat un mic arc electric faţă de pămînt. Cauza ce a dus la amorsarea arcului e scăderea izolaţiei cablului, adică rezistorul (rezistenţa sa) s-a micşorat, astfel că s-a amorsat arcul electric. Arcul electric ajunge a şunta rezistorul notat pe figură cu (2), acestai motivul pentru care nu l-am mai desenat, nu mai putem vorbi de existenţa lui.

În partea dreaptă a fig.12 am reprezentat situaţia în care rezistenţa de izolaţie a scăzut atît de mult încăt arcul electric arde între suprafaţa conductorului electric şi pămînt, adică am ajuns în situa ţia unui puneri la pămînt “nete”.

Am folosit ghilimele pentru faptul că punerea la pămînt se face tot prin arc electric, adică nu se ajunge la un contact electric direct, ceva de genul unei legături dintre conductorul fazei şi platbanda unei instalaţii de legare la pămînt. În practică nu e posibil aşa ceva, întotdeauna apare arc electric.

Chiar şi la un cablu aflat într-o groapă cu apă, fierbea practic apa, dar fiind fierbere globulară, chiar dacă nu se putea vedea arcul electric, de auzit, se putea auzi destul de uşor.

Un ceva ce poartă numele de net, e un scurtcircuit între două faze. Punctul de plecare e o punere la pămînt, la asta se adaugă o bobină ce nu limitează suficient curentul de defect, de aici supratensiuni în cele două faze sănătoase. La treaba asta dacă adăugăm şi o durată lungă a defectului, se ajunge în situaţia cînd se defectează o nouă fază. Începutul acestui defect putem spune că ar fi tot o punere la pămînt, adevărul e că odată amorsat arcul electric şi la faza a doua, în fapt avem un scurtcircuit bifazat, cît se poate de “net”.

De ce am scris, iar, cu ghilimele?, pentru că de drept şi de fapt tot descărcare prin arc este.

Acu’ să nu credeţi că nu sînt şi scurtcircuite nete, sînt şi d’ astea, în cazul lor, la locul de defect, conductorii a două faze, ba chiar şi a celor trei faze, se găsesc sudaţi între ei.

 

Pentru a vă spune ce rol au transformatoarele, am să îndemn iar la un desen ( să le dea Dumnezeu sănătate vorbitorilor de limba rusă, nu de alta, dar de pe la ei am preluat parte din desene, de-ar fi trebuit să le fac eu, nu cred că mai răspundeam prea degrabă cererii dumneavoastră)

 

 

Fig.13

 

 

În această figură notaţiile înseamnă:

 

- PT este primarul transformatorului de servicii interne, bobinat în zig-zag. La punctul neutru al acestei înfăşurări se leagă un capăt al bobinei de stingere.

Legat de acest transformator, după cum îi spune şi numele, el are rolul de a asigura alimentarea cu energie a consumatorilor din staţie (iluminat, compresoare de aer, diferite scule ce intră în dotarea staţiei, alimentarea bateriei de acumulatori - vorbim de consumatori de joasă tensiune, adică cu tensiunea de 0,38 respecti 0,4KV). Dacă dăm atenţie puterii totale pe care o însumează toţi consumatorii şi o comparăm cu puterea transformatorului de servicii interne o să vedem că puterea transformatorului este cu mult mai mare decît a consumatorilor, cu alte cuvinte transformatorul este supradimensionat.

Supradimensionarea este legată de faptul că primarul său, cu conexiune în zig-zag, împreună cu bobina Petersen, realizează stingerea curenţilor de defect.

Am spus pe undeva mai sus că stingerea arcului se realizează eficient atunci cînd bobina lucrează în regim rezonant, regimul rezonant saturează însă miezul magnetic.

Dacă în locul primarului transformatorului de servicii interne s-ar fi ales ca punct de legare secundarul transformatorului de putere ce alimentează staţia, la un defect de izolaţie în reţeaua de distribuţie a staţiei, bobina de stingere şi transformatorul de putere ar fi lucrat în regim rezonant.

Transformatorul de putere al staţiei, în funcţionare normală, funcţionează încărcat cu o sarcină de 90% s-au chiar 100%. Cred că aţi intuit că un astfel de transformator, cu o astfel de încărcare, numai de un regim rezonant nu duce lipsă. Adică un curent reactiv să-i satureze miezul, componenta activă să nu mai poată fi suportată.

Adevărul e că, în practică, lucrurile nu stau chiar aşa, formularea mea nu a urmărit decît să scoată în evidenţă ideea de bază.

În practică un astfel de transformator, funcţionînd încărcat, nici nu reuşeşte să stingă eficient arcul electric în zona defectului, nici să transfere optim componenta activă spre consumatori (totul din cauza saturării miezului magnetic) şi, lucrul extrem de neplăcut, transmite supratensiuni către consumatorii pe care-i alimentează.

Date fiind aceste neajunsuri, tratarea neutrului în staţiile electrice, se face prin intermediul transformatorilor de servicii interne, aceşti transformatori sînt dimensionaţi nu pentru a asigura curentul cerut de consumatorii pe care îi alimentează, el trebuie să asigure puterea necesară stingerii arcului din zona de defect, miezul său trebuie să lucreze în regim rezonant fără a se satura, de asemeni, conexiunea zig-zag, e de natură să limiteze supratensiunile ce se propagă către consumatorii alimentaţi din staţie (posturi şi staţii de distribuţie, motoare de medie tensiune).

Am să mai punctez un aspect, probabil ştiut, s-au, dacă s-a dat atenţie figurilor 1,2 şi 3, aţi sesizat acest aspect, anume că transformatoarele ce alimentează staţiile de înaltă şi medie tensiune, au primarul conectat în stea (pe partea de înaltă tensiune) şi secundarul conectat în triunghi (pe partea de medie tensiune) adică pe medie tensiune nu avem punct neutru. Punctul neutru apare ca urmare a capacităţilor faţă de pămînt pe care le prezinţă liniile electrice aeriene şi cele în cablu (evident liniile în cablu au capacităţi mai mari)

Dacă tot am făcut referire la liniile aeriene şi la cele în cablu, zic eu că merită să vă mai spun un aspect, legat de ele şi evident avînd legătură cu subiectul acestui topic.

Un defect de izolaţie apărut la unul din izolatoarele unei linii, adică o descărcare prin arc, are şanse de a se autostinge, mai repede s-au mai tîrziu, treaba asta depinde mult de natura stîlpilor ce susţin linia, adică dacă-s stîlpi metalici, de beton s-au stîlpi de lemn.

La liniile electrice în cablu nu este prezentă o astfel de situaţie, odată amorsat arcul, nu se stinge de la sine, s-au dacă se întîmplă o astfel de situaţie el se reaprinde din nou, avem în această situaţie un arc-pulsant, un astfel de arc generînd cele mai mari supratensiuni în fazele sănătoase.

 

- TT, este transformator de tensiune. Aşa cum spuneam pe undeva mai sus, la apariţia unui defect de izolaţie(de n-am spus o spun acum) între neutrul primarului transformatorului de servicii interne şi neutrul stelei formată de capacităţile cablelor liniilor electrice, ar apare o diferenţă de potenţial de ordinul kilovolţilor s-au zecilor de kilovolţi. După cum ştim. voltmetrele cu legare directă nu pot măsura tensiuni aşa de mari.

- TC, este transformator de curent. Spuneam despre curenţi că ei au valori de zeci şi chiar sute de amperi, la fel ca şi în cazul tensiunilor ei nu pot fi măsuraţi cu aparate cu legare directă.

Aşa cum cred că aţi intuit, rolul transformatoarelor e acela de a face posibilă măsurarea curenţilor şi tensiunilor.

Trebuie spus că sînt bobine ce au acţionare automată, fie se comandă servomotorul fie curentul ce străbate înfăşurarea de curent continuu, acest proces de comandă are nevoie de valorile curentului şi tensiunii, automatizarea le “citeşte” tocmai prin intermediul acestor transformatoare.

 

Cum se comportă bobina la o punere la pămînt?

Păi, acustic, zbîrnăe şi bîzîe ca apucată de streche, cam p’acolo se comportă şi transformatorul de servicii interne. Conductorul (bara) de legătură dintre bobină şi trafo. prezintă oarece vibraţii sesizabile cu ochiul liber; mă rog, nu-i grozăvie, dar nici nu-i de natură să te dai în vînt după astfel de situaţii, adică de la o stare de linişte să-nceapă , brusc, să sune goarna (semnalizare acustică) plus zbîrnîitul şi bîzîitul de care am pomenit, plus că în astfel de situaţii îţi cade-n bobi  că se lasă cu multă muncă, îi bine să-ţi scuipi în sîn şi să nu-ţi doreşti a vedea cum lucrează bobina. Pe de altă parte, de n-o vezi, îi pierdere, nu grozav de mare, n-ai ce povesti, n-ai idee cum e pe viu, te poţi mulţumi şi cu cele ce spun cărţile. Pînă la urmă e o chestie ce ţine de ce-ţi doreşti, aşa că de dumneavoastră ţine dacă îndemnaţi să vă scuipaţi în sîn s-au vă rugaţi să crape un fider de alimentare ( am spus cele de pe urmă, mai în glumă, mai în serios, gîndind că lucraţi sau veţi ajunge a lucra într-o staţie  electrică).

Cam asta-i povestea ce-am îndemnat a spune, evident că-i loc de analiză şi la modul de a număra cîte foi intră într-o plăcintă, nu-i cazul aici, pentru asta există literatură de specialitate.

Editat August 23, 2016 de rasputin