Posts Tagged ‘Linii electrice aeriene cu conductoare preizolate. Ener’

Descrierea tehnologiei de construcţia şi exploatarea LEA 20 kV cu conductoare preizolate (partea 1)

24/11/2007

Timisoara

               Conf.dr.ing. PANĂ Adrian:                    Universitatea “Politehnica” din Timişoara, Facultatea de Electrotehnică , 

                                                                             Catedra de Electroenergetică

           Conf.dr.ing. TITIHĂZAN Viorel              UPT Catedra de Electroenergetică

           Prof.dr.ing. BUTA Adrian        UPT Catedra de Electroenergetică

              ing. STOIAN Constantin

 

          

Rezumat. Prima parte a referatului expune o serie de aspecte privitoare la evoluţia tehnologiei de construcţie a liniilor electrie aeriene de medie tensiune cu conductoare izolate, tehnologie a cărei utilizare este tot mai extinsă şi în reţele din România. Se descriu variantele constructive, se expun avantajele şi dezavantajele noii tehnologii, se comentează protecţia împotriva efectelor descărcărilor atmosferice şi se prezintă tipurile de dispozitive de protecţie împotriva arcului electric.

Cuvinte cheie: Linii electrice aeriene cu conductoare izolate. Tipuri constructive. Dispozitive de protecţie împotriva arcului electric.  


1.       INTRODUCERE
                  Fiabilitatea în exploatare a reţelelor electrice poate fi apreciată pe baza unui indicator statistic deseori utilizat şi anume rata de defectare, exprimată  ca fiind numărul mediu anual de defectări produse la 100 km de linie electrică. În reţelele de medie tensiune performante, în construcţie “clasică”, acest indicator este situat în jurul valorilor de 4,5÷5 defecte la 100 km, ameliorarea lui constituind o preocupare constantă a specialiştilor.                  Extinderea tot mai pronunţată a liniilor electrice aeriene de medie tensiune (în construcţie clasică – cu conductoare neizolate) şi totodată creşterea pretenţiilor consumatorilor în ceea ce priveşte calitatea energiei electrice furnizate, au făcut ca valorile de mai sus să devină necorespunzătoare.                 Una dintre soluţiile acestei probleme o constituie folosirea conductoarelor izolate în locul conductoarelor neizolate din tehnologia clasică.  2.       VARIANTE CONSTRUCTIVE                 În literatura de specialitate aceste conductoare, care au început să se fabrice şi în România, se întâlnesc sub diverse denumiri cum ar fi:   cabluri cu izolaţie din polietilenă reticulată (XLPE) pentru LEA de medie tensiune (IPROEB S.A. Bistriţa), [1];   conductoare izolate (EXIMPROD GRUP S.A. Buzău), [2];   cabluri aeriene cu conductor de oţel-aluminiu şi izolaţie din polietilenă reticulată (S.C. ELCARO – SIEMENS Slatina), [3];   conductoare acoperite (Covered Conductors – CC) – denumire folosită în general în Ţările Nordice şi în Marea Britanie; [4,5,6],                 Aceste denumiri se întâlnesc pentru varianta constructivă cea mai simplă a unor astfel de conductoare, folosită în general în zone fără o activitate keraunică deosebită. Este vorba despre un conductor multifilar oţel-aliminiu, compactizat, acoperit cu un strat electroizolant din polietilenă reticulată (XLPE), aceasta din urmă având o compoziţie specială, ce o face rezistentă la acţiunea factorilor de mediu şi grosimi cuprinse între 2÷2,5 mm (fig. 1). Ele au denumiri specifice în diverse ţări, de exemplu: cabluri de tip SAX în Finlanda, BLX în Suedia, etc. Acest tip de conductoare, folosit cu predilecţie în Ţările Nordice şi în Marea Britanie dar având o utilizare tot mai extinsă în Europa, a fost conceput pentru a evita avariile şi deranjamentele produse de vânturile puternice, de depunerile masive de chiciură sau zăpadă şi de solicitările climatice moderate (radiaţii ultraviolete solare şi activitate keraunică moderate). Denumirea de conductoare acoperite, folosită în aceste ţări nu este întâmplătoare. Aşa cum se precizează şi în standarde (de exemplu în [4], cap. 6), ele nu se consideră conductoare izolate ci doar înlocuitoare ale conductoarelor neizolate obişnuite. Atunci când sunt sub tensiune ele trebuie tratate identic cu conductoarele neizolate.  OAC fig 1

              În zonele cu activitate keraunică pronunţată (de exemplu în ţările tropicale) se impune folosirea unor variante constructive complexe, care, pentru a elimina distrugerile produse de loviturile directe de trăsnet pe linie, utilizează pentru stratul exterior materiale izolatoare rezistente la descărcările electrice pe suprafaţă.  

 Din această categorie fac parte:

          cablurile izolate parţial (Partial Insulated Cables – PIC), prezentate în fig. 2.  Faţă de varianta CC aceasta se deosebeşte prin utilizarea unui strat semiconductor la suprafaţa conductorului, cu rol de ecranare, iar stratul exterior din XLPE are în plus proprietatea de a rezista la curenţii de scurgere pe suprafaţă;

          cablurile aeriene cu distanţiere (Spacer Aerial Cables – SAC), fig. 3.

 OAC fig 2_3

           La această variantă constructivă între stratul de ecranare şi stratul exterior utilizate la varianta PIC se intercalează un strat de XLPE naturală. Această variantă permite realizarea unei construcţii foarte compacte a LEA (distanţa între conductoarele de fază putând fi de chiar 10÷15 cm) prin folosirea unor distanţiere şi a unui cablu suplimentar din oţel pentru susţinerea întregului ansamblu. 

                Tipurile de conductoare prezentate mai sus constituie elementele unor sisteme constructive care au fost denumite: PAS în Finlanda, SLIM (Sisteme de linii izolate de medie tensiune) în România, etc.

  3.       Avantajele noii tehnologii    

             Folosirea conductoarelor izolate la construcţia LEA de medie tensiune conferă o multitudine de avantaje, care se pot rezuma prin creşterea siguranţei în alimentare şi deci a serviciului de furnizare a energiei electrice. 

                Primele astfel de linii au fost construite în Finlanda în anul 1976. De atunci şi până în prezent au fost construite în această tehnologie, linii totalizând peste 5000 de km. Sistemul a fost adoptat începând cu anul 1985 şi în Suedia unde a fost construit cam acelaşi volum de linii. Aplicarea sa în Norvegia a început în anul 1986, unde s-au construit mai bine de 2800 km. Ritmurile anuale de creştere a construcţiei acestui tip de linii în ţările amintite sunt foarte mari: 35% în Finlanda, 60% în Suedia, 35% în Norvegia. Motivul: rezultatele foarte bune obţinute în exploatarea acestor linii. Astfel, rata de defectare a scăzut de la 4,5 la 0,9 , ceea ce a făcut ca mai multe companii de electricitate din ţările nordice să decidă construcţia în viitor a liniilor aeriene de medie tensiune, exclusiv folosind noua tehnologie.                Aplicarea soluţiei conductoarelor izolate şi-a găsit o largă răspândire şi în Australia, în ţări din America de Sud şi Orientul Îndepărtat.   

             Iată cele mai importante avantaje conferite de noua tehnologie:

1°. izolaţia din XLPE permite reducerea distanţei dintre faze până la 1/3 faţă de sistemul clasic, deoarece:

        orice atingere accidentală a conductoarelor de fază în deschidere (provocată de exemplu în timpul furtunilor) nu conduce la scurtcircuite şi deci la declanşarea liniei;

        căderea pe linie a crengilor sau chiar a unor arbori (desigur în limitele rezistenţei mecanice a liniei) în condiţii de furtună, nu antrenează imperativul unei intervenţii imediate, aceasta putând aştepta îmbunătăţirea condiţiilor meteo;Reducerea distanţelor dintre faze înseamnă:        reducerea culoarului ocupat de linie, mai ales în cazul circuitelor duble şi deci a cheltuielilor legate de suprafeţele de teren ocupate sau de menţinerea culoarului prin defrişări (volumul de defrişări se reduce cu cca. 60% faţă de liniile clasice);

        impactul redus asupra mediului datorită gabaritului redus;

        impactul vizual redus şi aspectul îmbunătăţit, datorită zvelteţei construcţiei.

2°. Scăderea riscului de incendii în zonele forestiere datorită reducerii riscului de formare a arcurilor electrice prin scurtcircuite sau puneri la pământ monofazate.

3°. Scăderea riscului de electrocutare în cazul atingerii accidentale a liniei în timpul unor manevre executate în apropiere (activităţi de construcţii, defrişări, transporturi agabaritice, etc.).

4°. Micşorarea solicitărilor mecanice produse de către stratul de chiciură sau gheaţă depus pe conductoare în timpul iernii, datorită aderenţei reduse şi deci a grosimii reduse a acestuia pe învelişul de XLPE.

5°. Micşorarea numărului de puneri la pământ şi/sau scurtcircuite provocate de păsări sau chiar folosirea tehnologiei cu conductoare izolate ca o soluţie pentru protecţia păsărilor, de exemplu pe teritoriul rezervaţiilor naturale.

6°. Posibilitatea transformării cu efort financiar şi tehnologic redus a liniilor aeriene clasice în linii aeriene cu conductoare izolate. 

4.       Dezavantaje  

               Construcţia şi exploatarea unei linii electrice aeriene în noua tehnologie, implică şi câteva dezavantaje, ce pot fi clasificate în două categorii: economice şi tehnice.  

              Din punct de vedere al efortului investiţional, construcţia unei astfel de linii costă de 2,5÷3 ori mai mult decât o linie aeriană clasică, fiind însă de aproximativ două ori mai ieftină decît o linie electrică subterană [8]. Având în vedere însă creşterea spectaculoasă a siguranţei în funcţionare a reţelelor în care sunt instalate şi deci micşorarea pronunţată a cheltuielilor de exploatare dar şi a daunelor produse prin furnizarea unei energii electrice de calitate necorespunzătoare, folosirea acestor linii devine de fapt avantajoasă.

                Sub aspect tehnic se ivesc în principal 3 probleme:

1°. Pentru anumite variante constructive, în zona unor componente metalice, se produc descărcări electrice parţiale care în unele situaţii pot conduce la apariţia unor interferenţe radio. În funcţie de fiecare caz în parte, se pot găsi soluţii pentru diminuarea consecinţelor negative.

2°. Conductorul acoperit cu înveliş electroizolant este vulnerabil în faţa loviturii directe de trăsnet. Într-o astfel de situaţie, “piciorul” arcului electric aferent unei descărcări produse prin conturnarea izolatorului de susţinere, nu se poate deplasa de-a lungul conductorului sub acţiunea forţelor electrodinamice, tocmai datorită stratului electroizolant. Staţionarea arcului electric poate duce astfel la arderea stratului electroizolant din dreptul său şi chiar la deteriorarea conductorului (îndeosebi în situaţia în care prin spaţiul prin care s-a produs descărcarea undei de supratensiune se închide un curent mare dinspre reţea – curent de scurtcircuit). Rezolvarea acestei probleme se poate face prin folosirea unor echipamente de protecţie împotriva arcului electric de tip APD (Arc Protection Device) sau PAD (Power Arc Device). În principiu, acestea constau în nişte descărcătoare cu coarne (uneori putând fi însoţite de descărcătoare cu rezistenţă variabilă, de exemplu cu ZnO) care preiau unda de supratensiune directă sau indusă de pe conductorul de fază şi o conduc spre sol, favorizând deopotrivă stingerea rapidă a arcului electric aferent. Soluţiile constructive, modul de funcţionare, stabilirea dimensiunilor spaţiului de descărcare respectiv a distanţei dintre descărcătoare, au fost discutate în cadrul capitolului 6.

3°. Materialul din care este confecţionat stratul electroizolant trebuie să răspundă unei multitudini de cerinţe, pentru satisfacerea cărora în general se impun acţiuni contradictorii la nivelul compoziţiei amestecului:

        stabilitatea proprietăţilor fizico-chimice sub acţiunea solicitărilor climatice tipice expunerii în mediul exterior (umiditate, variaţii de temperatură, radiaţii ultraviolete solare, poluare, etc.);

        bune calităţi dielectrice în special sub aspectul rezistenţei la acţiunea curenţilor de descărcare pe suprafaţă, cerinţă impusă de un bun comportament faţă de supratensiunile atmosferice;

        bune calităţi mecanice pentru a face faţă solicitărilor specifice din timpul montării şi funcţionării;

        uşurinţa procesării.   

             Soluţia cea mai răspândită, obţinută ca un compromis între cerinţele enumerate mai sus, o constituie polietilena reticulată (XLPE), cu conţinut de negru de fum. Detalii referitoare la cerinţele impuse şi soluţiile aplicate la construcţia conductoarelor izolate, sunt prezentate în partea a doua a referatului. 

5.       Protecţia împotriva efectelor descărcărilor atmosferice

5.1. Cazul LEA cu conductoare neizolate (construc-ţia clasică)   

             Conform normelor româneşti ([2]), “liniile electrice aeriene de 3-35 kV nu trebuie să se protejeze în mod special împotriva loviturilor directe de trăsnet”. În general aceste linii nu sunt prevăzute cu conductor de protecţie (de gardă).  

               Astfel, o lovitură de trăsnet directă în conductoarele unei LEA sau respectiv în apropierea acesteia, constă de fapt în apariţia unei unde de supratensiune directe respectiv induse de-a lungul conductorului în ambele sensuri faţă de locul descărcării atmosferice şi apoi pe eventualele racorduri (derivaţii) ale LEA. În cazul LEA fără conductoare de gardă, lovitura de trăsnet este preluată în marea majoritate a cazurilor de către unul dintre conductoarele de fază laterale (în cazul dispunerii pe orizontală a conductoarelor de fază) sau de către conductorul superior (în cazul dispunerii în triunghi a conductoarelor de fază). 

               La început, frontul impulsului de tensiune este foarte abrupt, având valori de până la 10.000 kV/ms, amplitudinea acestuia având valori de mai mulţi MV. Prin propagare pe linie, unda este amortizată, atât amplitudinea cât şi panta sa scăzând foarte rapid. 

               Dacă considerăm spre exemplu cazul unei LEA de 20 kV obişnuite, construită cu conductoare neizolate şi având izolatoare suport tip ISNS, respectiv izolatoare de suspensie tip ITfs, tensiunea de ţinere nominală la undă de impuls normalizată 1,2/50 ms pentru cele două tipuri de izolatoare este de 125 kV, conturnarea lor producându-se în realitate pentru amplitudini ale undelor de impuls cu 15÷20 % mai mari. 

               Ajunse în dreptul izolatoarelor, undele de supratensiune vor produce conturnarea acestora (izolatoarele de tipurile amintite fiind nestrăpungibile), bineînţeles dacă amplitudinea undelor este suficient de mare. Se produce o descărcare sub forma unui arc electric, între conductorul de fază şi consola stâlpului (legată la pământ) care constituie de fapt o punere la pământ monofazată. Efectul acestei puneri la pământ asupra reţelei respectiv asupra consumatorilor alimentaţi de către aceasta, depinde de modul de tratare al neutrului reţelei în cauză.

                Astfel, în cazul reţelelor cu neutrul tratat prin bobină de stingere (sau neutrul izolat), curentul de însoţire ce străbate spaţiul ionizat al arcului electric de conturnare după amorsarea acestuia, este relativ mic, de maxim 10÷15 A (curentul rezidual rezultat în urma compensării curentului capacitiv de punere la pământ de către curentul inductiv forţat de bobina de stingere). De aceea, de cele mai multe ori, după trecerea undei de supratensiune, acest curent nu poate menţine ionizarea traseului pe care s-a produs conturnarea şi arcul electric se stinge spontan. Cu alte cuvinte, conturnarea nu se poate transforma în arc electric stabil. Energia termică dezvoltată în timpul conturnării nu este suficient de mare pentru a putea produce deteriorarea sau distrugerea conductorului sau izolatorului. Fiecare conturnare produsă în acest fel constituie o atenuare pronunţată a undei de supratensiune, suplimentară atenuării produse prin propagarea “naturală” pe linie. Defectul este deci trecător, linia nu este deconectată de către protecţii şi deci nu este afectată alimentarea consumatorilor. Se poate afirma deci că se produce o autoprotecţie a liniei faţă de descărcările atmosferice. 

               În cazul reţelelor cu neutrul tratat prin rezistor de limitare, punerea la pământ monofazată produsă prin conturnare, se transformă în scurtcircuit monofazat. Prin urmare, curentul de însoţire ce străbate spaţiul ionizat al arcului electric de conturnare după amorsarea acestuia este foarte mare (de fapt curentul de scurtcircuit monofazat 600÷1000 A). Efectul distructiv al acestuia asupra conductorului şi asupra izolatorului poate fi foarte mare, cu atât mai mult cu cât el determină menţinerea arcului. Se produce însă o limitare a acestui efect, pe două căi: pe de o parte prin deplasarea în sensul circulaţiei de puteri pe linie, a piciorului de arc de pe conductor (datorită efectului de suflaj electrodinamic) şi pe de altă parte de către protecţia maximală de curent ce deconectează linia după 0,2÷0,3 s. Această deplasare a arcului electric permite ca energia termică dezvoltată de către curentul prin arcul electric să nu rămână concentrată, realizân-du-se îndepărtarea arcului de pe suprafaţa izolatorului şi favorizându-se astfel stingerea arcului electric. După pauza RAR, timp în care arcul electric dispare (prin dispariţia tensiunii, traseul pe care s-a produs conturnarea se deionizează) şi după repunerea liniei sub tensiune aceasta revine la funcţionarea normală. 

               După ce, în urma loviturii de trăsnet în conduc-tor, s-a produs conturnarea izolaţiei acestuia faţă de pământ, curentul de trăsnet se scurge la pământ prin priza de punere la pământ a stâlpului determinând creşterea pronunţată a potenţialului acesteia. În funcţie de cuplajul electromagnetic dintre faze, în conductoarele celorlalte faze se pot induce tensiuni periculoase, care pot conduce la apariţia unei conturnări a izolaţiei şi pe acestea, dubla conturnare transformându-se într-un scurtcircuit bifazat. Valorile distanţelor dintre faze şi limita maximă impusă valorii prizelor de pământ ale stâlpilor (R<10 W), vor face ca probabilitatea apariţia unei duble conturnări sau a unei descărcări între faze, să fie extrem de redusă. 

                În consecinţă, pe LEA de medie tensiune obişnuite nu se prevăd dispozitive de protecţie împotriva supratensiunilor, cu excepţia aşa-numitelor “puncte slabe” ( [9] ) în care se instalează descărcătoare cu coarne (DC) sau descărcătoare cu rezistenţă variabilă (DRV) şi care corespund în general locurilor de schimbare a impedanţei caracteristice a traseului de propagare a undelor [9]: trecerile LEA – LES, stâlpii cu separator intercalaţi în liniile electrice pe stâlpi de lemn, separatoarele de secţionare şi de derivaţie (în special cele care în schema normală funcţionează în poziţie deschisă), porţiunile de linii pe stâlpi din beton intercalate în linii pe stâlpi de lemn, recordurile pentru posturile de transformare, etc. 

5.2. Cazul LEA cu conductoare izolate 

               Să presupunem în continuare cazul unei LEA în configuraţie clasică, cu singura deosebire că în locul conductoarelor neizolate se montează conductoare izolate cu un strat din polietilenă reticulată.

                Apariţia unei unde de supratensiune de origine atmosferică directă sau indusă, se propagă pe linie ca şi în cazul anterior, în ambele sensuri relativ la locul de producere a sa. Considerând că în dreptul unui izolator de susţinere sau suspensie, amplitudinea undei de supratensiune depăşeşte valoarea tensiunii de ţinere, de data aceasta a ansamblului format din izolaţia din XLPE şi izolatorul liniei, se va produce o străpungere a stratului electroizolant în dreptul izolatorului urmată de o conturnare a acestuia din urmă.

                În funcţie de modul de tratare a neutrului reţelei, va exista un comportament similar până la un punct, cu cazul conductorului neizolat, practic deteriorările produse depinzând de valoarea curentului de însoţire ce se stabileşte dinspre reţea prin căile deschise de străpungerea plus conturnarea (de data aceasta) produse de trăsnet. 

                Astfel, dacă curentul de însoţire este mic (cazul reţelelor cu neutrul izolat sau tratat cu bobină de stingere), deteriorările vor consta doar într-o străpungere (necontrolată de altfel) a stratului electroizolant al conductorului în dreptul izolatorului şi va avea forma unei perforaţii de dimensiuni cu valori sub 1 mm ([7]). În mod normal, într-o astfel de situaţie, dacă bobina de stingere îşi îndeplineşte funcţia, arcul electric nu se menţine şi reţeaua poate reveni la regimul normal, ca în cazul construcţiei clasice. 

                Prin urmare, la prima vedere, pe LEA aparţinând reţelelor cu neutrul tratat prin bobină de stingere, având conductoare izolate şi stâlpi cu coronament clasic, nu sunt necesare dispozitive speciale, suplimentare faţă de varianta clasică, pentru protecţia împotriva loviturilor directe de trăsnet. Acestea vor fi necesare însă, din două considerente:

1.     Producerea descărcării pe o cale controlată;

2.        Protecţia învelişului electroizolant în situaţia apariţiei unei unde de supratensiune pe un conductor aflat în contact cu vegetaţia. Simultaneitatea celor două evenimente are o probabilitate foarte mare în timpul furtunilor, adică tocmai în perioadele în care se contează pe eficienţa conductoarelor izolate. În fapt, este vorba despre descărcătoare cu coarne, care vor prelua unda de supratensiune evitând distrugerea stratului izolant în zona de contact cu vegetaţia. Un astfel de incident poate fi cauza avariei descrise în partea a doua a prezentului referat.

                În cazul în care străpungerea stratului electroizolant urmată de conturnarea izolatorului determină producerea unui curent mare de însoţire dinspre reţea (curent de scurtcircuit monofazat – cazul reţelelor cu neutrul tratat cu rezistor de limitare), atunci, în intervalul de timp până la deconectarea liniei de către protecţie, arcul electric poate deteriora foarte grav stratul electroizolant şi chiar poate topi parţial sau total conductorul, efect amplificat de faptul că stratul electroizolant împiedică deplasarea “piciorului” de arc de pe conductor, arcul rămânând staţionar şi deci având un efect distructiv foarte pronunţat. Din acest motiv, în acest caz, liniile aeriene construite cu conductoare izolate, trebuie prevăzute cu dispozitive de protecţie împotriva arcului electric de tip APD (Arc Protection Devices) sau PAD (Power Arc Devices).                 Montarea acestor dispozitive devine imperativă întotdeauna însă atunci când, în cazul construcţiilor liniilor noi, se prevăd distanţe între faze mult micşorate faţă de tehnologia clasică (1/3) deoarece la acestea, ca urmare a unei lovituri directe de trăsnet, sunt posibile şi descărcări între faze, ce vor produce scurtcircuite polifazate, deci curenţi de însoţire foarte mari, cu efectele descrise anterior. 

6.       Dispozitivele de protecţie   împotriva arcului electric 

6.1. Tipuri constructive 

               Primele sisteme de protecţie împotriva acţiunii arcului electric s-au realizat prin dezizolarea  conductorului pe o porţiune de câţiva zeci de centimetri de o parte şi de alta a punctului de fixare pe izolator, capetele stratului electroizolant fiind fixate de conductor prin intermediul unor coliere de aluminiu cu muchii rotunjite (fig. 6). În acest fel, în cazul loviturii directe de trăsnet, efectele sunt practic identice cu cele din cazul construcţiei clasice, la care se adaugă descărcarea dintre faze, ce se produce datorită micşorării distanţelor dintre acestea până la 1/3, descărcare ce va fi preluată de către coliere. 

               Soluţia prezintă însă câteva dezavantaje:

          necesită o manoperă suplimentară pentru desizolarea conductorului în dreptul fiecărui punct de fixare;

          arderea arcului electric rămâne necontrolată;

          fiabilitatea redusă a colierelor de aluminiu.

 fig 6

                Cu toate acestea, sistemul a fost folosit în Ţările Nordice mulţi ani de zile, cu rezultate satisfăcătoare. 

               Pe la mijlocul anilor ’80 a început să fie folosit un nou sistem, care constă în montarea unei cleme cu dinţi (ce penetrează deci stratul electroizolant) în apropierea punctului de fixare a conductorului pe izolator şi prin intermediul căreia se fixează un corn de descărcare (fig. 7). Clema cu dinţi este conectată la acelaşi potenţial cu gulerul izolatorului suport prin intermediul unei conexiuni metalice (un fir de aluminiu infăşurat elicoidal la suprafaţa conductorului). Scopul acestui sistem este ca, în cazul apariţiei unei unde de supratensiune pe conductorul de fază, aceasta să producă conturnarea izolaţiei clasice, după care “piciorului” arcului să i se permită deplasarea sub acţiunea forţelor electrodinamice de-a lungul conexiunii metalice spre clema cu dinţi şi cornul descărcătorului, deci pe o cale sigură şi controlată. Se poate deduce de aici că dispozitivul trebuie instalat pe acea parte a izolatorului care este opusă părţii cu sursa, pentru a permite refularea arcului spre cornul de descărcare, şi pe ambele părţi în cazul circulaţiei în ambele sensuri a puterii pe linie (în regimul normal). 

 fig 7

        Descărcarea între faze, care succede descărcarea între fază şi consolă (pământ) prin conturnarea izolatorului, este preluată de către coarnele de descărcare, la o distanţă suficient de mare faţă de izolatoare, astfel încât acestea să nu fie afectate. 

        Aceste dispozitive de protecţie împotriva arcului electric au fost denumite la modul general APD (Arc Protection Devices). 

               Cele două soluţii descrise mai sus se folosesc pe linii cu conductoare izolate, la care curenţii de însoţire în cazul descărcărilor între fază şi pământ sunt mari sau la care distanţele între faze sunt micşorate la 1/3 din distanţele de la construcţia clasică.

                 S-a pus întrebarea dacă aceleaşi sisteme de protecţie se pot folosi şi în cazul în care linia este construită cu conductoare izolate dar stâlpii au coronament clasic. Studiile făcute la firma ENSTO ([7]) au condus la concluzia că în acest caz arcul nu are destulă energie pentru a putea ioniza spaţiul de aer dintre faze (nu se poate produce şi descărcarea dintre faze) iar arcul poate să ardă staţionar între firul de aluminiu şi consolă, ceea ce poate conduce la distrugerea izolatorului. De aceea, pentru astfel de situaţii se foloseşte o altă construcţie, mai precis cea denumită PAD (Power Arc Devices), de fapt un descărcător cu coarne montat în paralel cu izolatorul de susţinere sau de suspensie a conductorului (fig.8). 

OAC fig 8

                Dispozitivele de tip PAD sunt destinate şi cazurilor în care curentul de însoţire este un curent de scurtcircuit dar de valori relativ reduse. În aceste situaţii, arcul electric nu se poate mişca suficient de repede de la punctul de început al descărcării spre cornul de descărcare, ceea ce de asemenea poate duce la distrugerea izolatorului şi a conductorului

                Rolul cornului inferior este evident: cel de a îndepărta şi piciorul inferior al arcului de izolator şi a uşura totodată stingerea arcului.

                Modul de instalare a acestor dispozitive de protecţie este descris în detaliu în standarde (de exemplu în SFS 5792/1996 [6]).                Dispozitivele tip PAD pot fi folosite şi pentru protecţia “clasică” la supratensiuni (trecerile LEA-LES, racordurile de PT, extremităţile reţelei, etc.).

 6.2. Alegerea dispozitivelor de protecţie împotriva acţiunii arcului electric  

              Utilizarea dispozitivelor de tip APD şi PAD, în funcţie de distanţa dintre faze şi valoarea curentului de însoţire, este precizată în tabelul 1 ([7]). 

                Şi din acest tabel rezultă că dispozitivele de protecţie împotriva arcului electric sunt aplicabile în reţelele în care curentul de însoţire are valori relativ mari. 

                În România, conform tabelului 1, dispozitivele de protecţie sunt aplicabile în reţelele de medie tensiune cu neutrul tratat prin rezistor, curenţii de însoţire având valori maxime în jurul valorii de 1 kA. Astfel, în cazul liniilor la care conductorul clasic a fost înlocuit cu conductor izolat (stâlpi cu coronament clasic), se vor monta dispozitive de tip PAD, dacă curentul de însoţire depăşeşte valoarea de 1 kA (soluţia 1), iar la liniile nou construite (cu distanţe reduse între faze) la care curenţii de însoţire au valori sub 1,5 kA, se vor monta de asemenea dispozitive tip PAD (soluţia 4).

                                                                         Tabelul 1. Alegerea dispozitivelor de tip APD sau PAD 

Soluţia nr. Spaţiul dintre faze[mm] Curentul de însoţire[kA] Tipul de dispozitiv de protecţie

  Dacă reţeaua are neutrul tratat cu bobină de stingere, rolul PAD este cel precizat la paragraful 5.2.                 Pentru alegerea corectă a echipamentului de protecţie împotriva arcului electric, stabilirea dimensiunii spaţiului de descărcare (distanţa dintre cornul de descărcare şi consolă sau între coarnele de descărcare) respectiv a distanţelor dintre dispozitive de-a lungul liniei, trebuie să se ţină seama de o multitudine de factori: tipurile de trăsnete, valorile curenţilor de trăsnet şi ale curenţilor de însoţire, probabilitatea loviturii de trăsnet, probabilitatea conturnării izolatoarelor LEA, configuraţia terenului şi a vegetaţiei din apropiere, configuraţia şi traseul liniei electrice, modul de realizare a prizelor de pământ, nivelul de risc, tipul de echipamente de protecţie existente, costuri, etc.                Conform [7], “pentru a exista certitudinea 100% că nu apar nici un fel de avarii pe linie datorită loviturii directe de trăsnet, ar trebui instalat câte un dispozitiv APD la fiecare stâlp, ceea ce în practică devine o soluţie foarte costisitoare”. 

               În procedura de determinare a distanţei dintre două APD, parametrii determinanţi sunt: densitatea loviturilor de trăsnet, probabilitatea loviturilor directe de trăsnet în linie în zona respectivă şi de asemenea probabilitatea de conturnare a izolatoarelor.                 Referitor la protecţia împotriva loviturilor directe de trăsnet a LEA construite cu conductoare izolate, în literatura tehnică de specialitate se întâlnesc următoarele recomandări [7]:

          pentru LEA aflate în zone în care loviturile directe de trăsnet au o probabilitate mare de producere (în câmp deschis, fără ecranări naturale sau artificiale), distanţele dintre APD vor fi de max. 100÷200 m;

          pentru LEA plasate în zone în care loviturile directe de trăsnet au o probabilitate redusă (perimetre ecranate, în zone forestiere, văi, etc.) distanţele între APD vor fi de max 300÷400 m;

          pentru stabilirea numărului şi locului de amplasare a APD, se va ţine seama în permanenţă de modificările produse în ceea ce priveşte activitatea keraunică pe teritoriul străbătut de linie;

          APD se vor plasa obligatoriu:   pe toţi stâlpii ce ocupă poziţii proeminente pe traseu;   la toate transformatoarele racordate la linie (cât mai aproape de acestea);

   la capetele tuturor ramificaţiilor;   la toate trecerile LEA-LES;

                În ceea ce priveşte distanţa dintre coarnele descărcătorului din componenţa PAD, în literatură se recomandă valori cuprinse între 100÷150 mm [2], sau chiar 80±10 mm dacă PAD sunt prevăzute şi cu descărcătoare cu ZnO ([10]), fig. 9. 

fig 9

  Bibliografie 

Lucrare prezentata de autori la SIG 2001

[1] * * *   Cabluri cu izolaţie din polietilenă reticulată pentru linii elecrice aeriene la tensiuni nominale U0/U 12/20 kV, Um 24 kV, Standard de firmă – SF 21/1998, IPROEB S.A., Fabrica de cabluri izolate;

        

[2] * * *   SLIM – sisteme de linii izolate de medie tensiune – fişă tehnică 1999, EXIMPROD GRUP S.A. Buzău;
[3] * * *   Cablu aerian de 20 kV, cu conductor de oţel aliminiu şi izolaţie din polietilenă reticulată, tip OAC2X, Standard de firmă SF Nr. 2/1998 – S.C. ELCARO – SIEMENS Slatina;
[4] * * *   12/20 kV overhead lines. PAS – system, Standard SFS 5790/1995, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[5] * * *   12/20 kV overhead lines. XLPE – covered overhead conductors PAS, Standard SFS 5791/1994, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[6] * * *   12/20 kV overhead lines. Constructions and light arc protection devices for XLPE – covered overhead conductor PAS, Standard SFS 5792/1996, Finnish Electrotechnical Standards Association;
[7] Kokkonen, M., APDs and Lightning Protection, ENSTO Oy Sekko Ab, Finland;
[8] * * *   Compounds for Medium Voltage Aerial Cable Application, Borealis A/S, 1998, Denmark;
[9] * * *   PE 109-92  Normativ privind alegerea izolaţiei, coordonarea izolaţiei şi protecţia instalaţiilor electroenergetice împotriva supratensiunilor, Regia Autonomă de Electricitate – RENEL, Bucureşti, 1992;
[10] * * *   Current limiting arcing horn SDI 46.7 – ENSTO SEKKO OY, document 20.5.99/SH