Cap. 1. Tratarea Neutrului

Tratarea neutrului în reţelele electrice

b c

230 V

a

a

400 V 400 V

400 V

Diagrama fazorială a tensiunilor

U ca Vc c

Va

U ab N

U bc

N

Vb b

Fig. 1.1. Definirea neutrului N pentru o reţea trifazată.

MT

Generator de abur

ÎT

Turbină

V

U

GEN

V

V

Modalităţi de tratare a neutrului Secundar transformator Linie

N

ZN =

Neutru izolat

N

N

ZN

Neutru tratat prin impedanţă

XN = 0

Neutru legat direct la pământ

Fig.1.2. Situaţii relative ale neutrului reţelelor electrice faţă de pământ.

Potenţialul neutrului în raport cu pământul Fig. 1.3.

a

a N

b

U ca

c ZN

C 0c

G0c C0b

G0b C0a

Pământ

Vc

G0a

U ab Vb

ZN c

Ground

Va N

U bc

V a Y 0 a + V b Y 0b + V c Y 0c Y 0 (V a + V b + V c ) VN = = =0 1 1 3Y 0 + Y 0 a + Y 0b + Y 0 c + ZN ZN

b

Va

N

Vb

b

Vc

c Vαβ=-Vc

Pământ (P)

a

ZF β

Il , a Il, b Il , c

α IF

C Ic,c

0

C Ic,b

0

C

0

Ic,a

Fig. 1.4. Schema echivalentă a unei reţele trifazată cu punere la pământ monofazată.

Aplicarea teoremei lui Thevenin pentru determinarea curentului de defect Fig. 1.5. IF V =0 Z αβ

ZF

V =0 Z αβ

β

Reţeaua reală pe timpul defectului

IF

IF 0 α

α

ZF Vαβ

V =0 Z αβ

ZF V αβ β

β

Reţeaua activă

α

Reţeaua pasivă

V αβ IF = Z αβ + Z F Vαβ este tensiunea între bornele α-β atunci când cele două borne sunt în gol Zαβ este impedanţa reţelei pasivizate văzută de la bornele α şi β

Calculul curentului de defect monofazat Fig. 1.6. a b c

Ia=0 Ib=0 Ic Vc=0

Calculul curentului de defect monofazat +

Fig. 1.6. a b c

Z

Ia=0

I

+

+

V

V Z

Ib=0

I V

Ic Z0

Vc=0

I0 V0

Calculul curentului de defect monofazat +

Fig. 1.6. a b c

Z

Ia=0

I

+

+

V

V Z

Ib=0

I V

Ic Z0

Vc=0 3ZN

I0 V0

Calculul curentului de defect monofazat +

Fig. 1.6. a b c

Z

Ia=0

I

+

ZF +

V

V Z

Ib=0

ZF

I V

Ic Z0

Vc=0 3ZN

Ic

Ib+ +

Ia

Ic+

Ia

+ Ib

Ic

ZF

I0

V0

0

+

Ia Ib0 0 Ic

Calculul curentului de defect monofazat +

( = ( aV

−

V a = aV + a V + V

0

V = a 2V a + aV b + V c

+

−

0

V

2

V b = a 2V + aV + V +

−

V c =V +V +V

+ −

a

+ a 2V b + V c

) )

3 3

V = (V a + V b + V c ) 3

0

0

Deoarece curenţii de secvenţă sunt egali, adică: +

−

I =I =I

0

curentul de defect va avea expresia: +

−

0

3V

+

IF = I c = I + I + I = 3 I =

+

−

0

Z + Z + Z + 3Z N

Dacă se ia în considerare impedanţa de defect Z F şi ştiind că Z + = Z − , rezultă:

3V IF = + 0 2 Z + Z + 3Z N + 3 Z F

Calculul curentului de defect monofazat Transformator ÎT

MT 0

ZN

Y0

Fig. 1.7.

Calculul curentului de defect monofazat Linie sănătoasă

Transformator ÎT

MT 0

Linie cu defect α

ZN

ZF 0 TL

Z

Fig. 1.7.

β

IF

YF0

Calculul curentului de defect monofazat Linie sănătoasă

Transformator ÎT

MT 0

Linie cu defect α

ZN

ZF

IF

β

0 TL

Z

YF0

0 ZTL

Fig. 1.7.

3ZN Z

0 TL

0 T

=Z +Z

0 L

1/Y I

0

α β

3ZF

0

Calculul curentului de defect monofazat 0 ZTL

⎛ ⎞ 1 3⎜ Z N + ⎟⎟ 3Z N + 0 ⎜ 3 ⎠ 3 Y 0 ⎝ Z = = = 0 1 1 0 0 ⎛ Z 3 Z N + Z TL + 0 3Y 0 ⎜ Z + TL ⎟⎞ + 1 3Y + 0 ⎜ N ⎟ Y Z 3 ⎠ ⎝ Z N + TL 3 IF 1 0 α Z NT = Z N + Z TL 3 1 + + Y NT = Z = 2 Z = 2 Z TL Z NT

(

0 Z TL

)

I

3ZN

0 Z TL

IF =

Z+

Y NT

α β

0

Fig. 1.8. Z 3

YNT ZF

3V V = 3 Z 1 + 3ZF + + ZF 0 0 3 Y NT + 3Y + 3Y

0

3ZF

~

β

1/Y

3Y 0

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

a

Il, a

b N

Il, b

c

Il, c C

Pământ (P)

Ic,c

0

C Ic,b

0

C Ic,a

0

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ Va

a

Vb N

b

Vc

Il, b

c Vc

Pământ (P)

Il, a

Il, c C Ic,c

Reţeaua activă

0

C Ic,b

0

C Ic,a

0

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

a

Il, a

b N

Il, b

c

Il, c

α Vαβ=-Vc Pământ (P)

ZF

Ic,c=0

β IF

Reţeaua pasivă

C

0

C Ic,b

0

C Ic,a

0

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ Va

N

a

b

Vc

c

Pământ (P)

N Vc c

Vb

VN=0

Va

Vb b

a

0

Vc

Ic,c

C Ic,b

C

0

C Ic,a

0

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ Va

N

Vb

b

Vc

c 0

C

a

Vc=0 Pământ (P)

Va

N P Vc c

a

c Vαβ=-Vc

Vb b

C

0

Ic,b Ic,a

0

C

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ Va

N

b

Vc

c

VN=Vc Pământ (P)

Va

N

Vαβ N P

c

Vb

0

a

Vc

a

c Vαβ=-Vc

Vb b

C Vc=0

C

0

Ic,b Ic,a

0

C

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

Vαβ a Va

N

Vαβ N P Vc c

c Vαβ=-Vc

Vαβ

Vb b

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

Vαβ a Va

Va

N

Vαβ Vb

N P Vc c

c Vαβ=-Vc

Vαβ

Vb b

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ a

Vαβ a Va

Va

N

Vαβ Vb

N P Vc c

b

c Vαβ=-Vc

Vb

Vαβ

Va ' Vb ' 3V KG = ⋅100 = ⋅100 ⋅100 = 100% b = Un Un Un

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ a Va Ic, b Ic, a c

Vc

N Ic, c Vb b

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

Ic, b Ic, a

N Ic, c

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

Ic, a

Ic, b N P -Ic, c

Ic, c

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

-Ic, c Ic, b N P

-Ic, c Ic, a

-Ic, c

Ic, c

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

Ic, a -Ic, c Ic, a

Ic, b

-Ic, c Ic, b N P

30

-Ic, c

Ic, c

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ IC Ic, a -Ic, c Ic, a

Ic, b

-Ic, c Ic, b N P

30 30

-Ic, c

Ic, c

3 I F = I C = 2 I cos 30° = 2 ⋅ ( 2 I c cos 30° ) = 3I c 2 ' c

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

IC Ic, a

Ic , b

N P

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

IC Ic, a

Ic , b

N P

Va

Vb

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ

IC Ic, a

Ic , b

Va a Va

N P c

Vc

Vb

Vb b

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ IF = I

(1) sc

=

Z + 3 Y NT

V 1 0 + ZF + 3Y IF = I

Z NT = ∞

Y NT = 0

Z 3

(1) sc

V = 1 Z + 0 + ZF 3 3Y

1 0 3Y

IF = I

0

I F = 3 Y V = 3V (G0 + jB0 ) = I F ,a + jI F ,c I FLEA

Un L = 300K500

I FLES

Un L = 2K10

contact net ZF = 0

(1) sc

=

V 1 Z + 0 3 3Y

Reţele cu neutrul izolat faţă de pământ Observaţii ¾ Curenţii capacitivi fiind mult mai mici decât curenţii de sarcină se poate considera că tensiunile de fază măsurate faţă de punctul neutru nu se modifică semnificativ. ¾ Reţeaua poate să funcţioneze pe o perioadă limitată de timp alimentând consumatorii în condiţii acceptabile deşi una dintre faze este pusă la pământ. ¾ Cu toate că tensiunile fazelor în raport cu punctul neutru (N) rămân aproximativ aceleaşi ca în funcţionarea fără defect, potenţialul fazelor faţă de pământ (P) se modifică: potenţialul faţă de pământ al fazei pusă la pământ este nul, iar potenţialul fazelor sănătoase creşte de 3 ori, devenind egal cu tensiunea între faze .

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Transformator N

a

Linie electrică I l, a

b

Il, b

c ZN Pământ

Ic,c

Ic,b

Ic,a

C0

C0

C0

Il, c

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Transformator N

Linie electrică

a

I l, a

b

Il, b

c α ZN Pământ

Vαβ β

Ic,c=0

Ic,b

Ic,a

C0

C0

C0

Il, c

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Transformator

Linie electrică

a

I l, a

b

N

Il, b

c α ZN Pământ

IL

Vαβ β

Ic,c=0

Ic,b

Ic,a

C0

C0

C0

Il, c

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Transformator

Linie electrică

a

I l, a

b

N

Il, b

c α ZN Pământ

IL

Vαβ β

IC

Ic,c=0

Ic,b

Ic,a

C0

C0

C0

Il, c

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Transformator

Linie electrică

a

I l, a

b

N

Il, b

c α ZN Pământ

IL

Vαβ β

Ic,c=0

Ic,b

Ic,a

C0

C0

C0

Il, c

IC

Vαβ

IF = Ir = IC + I L

Ir IC

IL

Reţele cu neutrul tratat prin bobină IF = Ir = IC + I L Vαβ Ir IC

V αβ IL

j ωL

V αβ j ωL

0

I r ≅ jV αβ 3ωC +

V αβ j ωL

+ jV αβ 3ωC 0 = 0

= − jV αβ 3ωC 0

ωL = X N

1 = = Xc 0 3ωC

Condiţia de rezonanţă

Reţele cu neutrul tratat prin bobină IL

α IC Ir

LN

RN

3C

V

0

3G

0

a

β

Va

N

Va

-Vc Ic,b

Ic,c

b Vb I L=V YN

c

0

IC=j3ωC V

Vb

V IL= jωL

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Dimensionarea bobinei de stingere ¾ Valoarea reactanţei bobinei XN se stabileşte avându-se în vedere regimul de avarie al reţelei (punerea la pământ a unei faze) şi regimul normal de funcţionare. Din punct de vedere al regimului de avarie se doreşte ca, curentul rezidual să aibă o valoare cât mai mică, la limită chiar zero: I L = I C În regim normal de funcţionare, din cauza inegalităţii capacităţilor fazelor, depunerii neuniforme de murdărie pe izolatoare etc., se produce o uşoară deplasare a potenţialului neutrului faţă de pământ care va conduce la apariţia unor curenţi foarte mari în reţea în momentul conectării bobinei de stingere acordată la rezonanţă. În practică se preferă o supracompensare cu 10-15%, deoarece în cazul în care s-ar adopta subcompensarea este posibil ca în urma deconectării unei linii să se ajungă la condiţia de rezonanţă prin scăderea reactanţei capacitive totale a liniilor electrice.

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Avantaje ¾Elimină probabilitatea reaprinderii arcului electric după stingerea acestuia la prima trecere prin zero a curentului şi deci pericolul apariţiei unor supratensiuni dispare; ¾Curentul la locul de defect (curentul rezidual) este redus la aprox. câteva procente din valoarea curentului capacitiv al reţelei. Dezavantaje ¾ În cazul punerii la pământ a unei faze, tensiunea fazelor sănătoase faţă de pământ pot creşte până la valoarea tensiunii între faze; ¾ Costul mărit al izolaţiei şi echipamentului aferent; inductivitatea sa este cu atât mai mare cu cât reţeaua este mai extinsă; ¾ Posibilitatea de transformare din defect monofazat în defecte polifazate; ¾ Dificultăţi în selectarea plecării defecte (mai ales în situaţia unor puneri la pământ cu impedanţă mare de defect);

Reţele cu neutrul tratat prin bobină Structura bobinei Petersen

20 kV; 5000 kVAr

Reţele cu neutrul tratat prin bobină

Staţia de 110 kV / 20 kV din Bistriţa

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor 3V

IF =

+

0

2 Z + Z + 3Z N + 3 Z F Z + = R + + jX + Z 0 = R 0 + jX 0

I sc =

3V

3RN

I sc ≅

0 2

(

+

0

⎡3 ( RN + RF ) + 2 R + R ⎤ + 2 X + X ⎣ ⎦ +

+X

0

)

2

I sc , max

X+ ≅ X0 = X

2

V RN2

3RF + 2 R + R

+

RN

2

VN = I sc RN

VN = I sc

V = X

⎛V ⎞ 2 X − ⎜ ⎟ ⎝ I sc ⎠

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Calculul rezistenţei

1 1 RN = V 2 − 2 Isc Isc, max

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Structura unui rezistor de limitare

Staţia de 110 kV / 20 kV din Viişoara

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Structura unui rezistor de limitare

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Structura unui rezistor de tratare a neutrului

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Structura unui rezistor de tratare a neutrului

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Structura unui rezistor de tratare a neutrului

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Modalităţi de conectare a rezistorului în reţelele electrice când neutrul nu este accesibil

BPN

TSP

RN

RN

Reţele cu neutrul tratat prin rezistor Eliminarea rapidă a defectelor, în reţele tratate prin rezistor, cu ajutorul întreruptorului şunt

RN

IS

Soluţii mixte de tratare a neutrului

N

N

I

XN

I R

XN R

Notă: Acestea sunt soluţii adoptate ca urmare a extinderii reţelelor

Reţele cu neutrul legat rigid la pământ T1

Va

Linie electrică

T2

Vb N1

Vc

N2

c b a

Reţele cu neutrul legat rigid la pământ T1

Linie electrică

N1

T2

N2 α Isc

Vαβ=-Vc β

c b a

Reţele cu neutrul legat rigid la pământ T1

Linie electrică

N1

T2

N2 α Isc

β

Isc Vαβ=-Vc

c b a

Reţele cu neutrul legat rigid la pământ IF = I

(1) sc

=

Z + 3 Y NT

V 1 0 + ZF + 3Y

ZN = 0

1 0 Z NT = Z N + Z TL 3

Legătură rigidă 1 1 3 = = 0 Z NT Z + 1 Z 0 Z TL N TL 3

+

+

Z = 2 Z TL ≈ 2 Z T

Z NT 0

0

Z TL ≈ Z T

IF = I

(1) sc

V

3V = = + + 0 0 2Z T Z T 2Z T + Z T + 3 3

0 TL

Z = 3

?

Reţele cu neutrul legat rigid la pământ • Conform CEI, în cazul unui scurtcircuit monofazat, tensiunile fazelor sănătoase (Va, Vb) nu trebuie să depăşească 0,8 din U. 0

X 1 + X 0

X 1≤ + ≤ 3 X