Defecțiune electrică

Într-un sistem energetic, o defecțiune sau curent de defect este orice curent electric anormal. De exemplu, un scurtcircuit este o defecțiune în care un conductor sub tensiune atinge un conductor neutru sau de pământ. O defecțiune de circuit deschis apare atunci când un circuit este întrerupt de o defecțiune a unui conductor de curent (fază sau neutru) sau de o siguranță fuzibilă sau un întrerupător automat ars. În sistemele trifazate, o defecțiune poate implica una sau mai multe faze și pământ, sau poate apărea doar între faze. La o „defecțiune de împământare”, curentul trece în pământ. Curentul de scurtcircuit prospectiv al unei defecțiuni previzibile poate fi calculat pentru majoritatea situațiilor. În sistemele de alimentare, dispozitivele de protecție pot detecta condițiile de defecțiune și pot opera întrerupătoarele automate și alte dispozitive pentru a limita pierderea de serviciu din cauza unei defecțiuni.

Într-un sistem polifazic, o defecțiune poate afecta toate fazele în mod egal, ceea ce reprezintă o „defecțiune simetrică”. Dacă sunt afectate doar unele faze, rezultata „defecțiune asimetrică” devine mai complicată de analizat. Analiza acestor tipuri de defecțiuni este adesea simplificată prin utilizarea de metode precum componente simetrice.

Proiectarea sistemelor pentru detectarea și întreruperea defecțiunilor sistemului de alimentare este obiectivul principal al protecției sistemului de alimentare.

Defecțiune tranzitorie

O defecțiune tranzitorie este o defecțiune care nu mai este prezentă dacă alimentarea este întreruptă pentru scurt timp și apoi restabilită; sau o defecțiune de izolare care afectează temporar proprietățile dielectrice ale unui dispozitiv, care sunt restaurate după scurt timp. Multe defecțiuni în liniile electroenergetice aeriene sunt de natură tranzitorie. Când apare o defecțiune, echipamentele utilizate pentru protecția sistemului de alimentare funcționează pentru a izola zona defecțiunii. O defecțiune tranzitorie se va elimina apoi, iar linia electrică poate fi returnată la serviciu. Exemple tipice de defecțiuni tranzitorii includ:

Contact momentan cu arbore
Contact cu pasăre sau alt animal
Trăsnet
Contact accidental între conductori

Sistemele de transmisie și distribuție utilizează o funcție de reînchidere automată, folosită în mod obișnuit pe liniile aeriene pentru a încerca restabilirea alimentării în cazul unei defecțiuni tranzitorii. Această funcționalitate este mai puțin comună în sistemele subterane, deoarece defecțiunile de acolo sunt de obicei de natură persistentă. Defecțiunile tranzitorii pot totuși cauza daune atât la locul defecțiunii inițial, cât și în altă parte a rețelei, deoarece se generează curent de defect.

Defecțiune persistentă

O defecțiune persistentă indiferent dacă se aplică sau nu curentul. Defecțiunile în cablurile electrice subterane sunt cel mai adesea persistente din cauza deteriorării mecanice a cablului, dar uneori sunt de natură tranzitorie din cauza trăsnetului.^[1]

Tipuri de defecțiuni

Defecțiune asimetrică

O defecțiune asimetrică sau dezechilibrată nu afectează în mod egal fiecare dintre faze. Tipuri comune de defecțiuni asimetrice și cauzele lor:

defecțiune fază-fază - un scurtcircuit între faze, cauzat de ionizarea aerului sau atunci când liniile intră în contact fizic, de exemplu din cauza unui izolator rupt. În defecțiunile liniilor de transmisie, aproximativ 5% - 10% sunt defecțiuni asimetrice fază-fază.^[2]
defecțiune fază-pământ - scurtcircuit între o fază și pământ, foarte des cauzat de contact fizic, de exemplu din cauza fulgerelor sau a altor daune provocate de furtună. În defecțiunile liniilor de transmisie, aproximativ 65% - 70% sunt defecțiuni asimetrice fază-pământ.^[2]
defecțiune dublă fază-pământ - două faze intră în contact cu pământul (și între ele), de asemenea, în mod obișnuit din cauza daunelor provocate de furtună. În defecțiunile liniilor de transmisie, aproximativ 15% - 20% sunt defecțiuni asimetrice duble fază-pământ.^[2]

Defecțiune simetrică

O defecțiune simetrică sau echilibrată afectează fiecare fază în mod egal. În defecțiunile liniilor de transmisie, aproximativ 5% sunt simetrice.^[3] Aceste defecțiuni sunt rare comparativ cu defecțiunile asimetrice. Două tipuri de defecțiuni simetrice sunt fază-fază-fază (F-F-F) și fază-fază-fază-pământ (F-F-F-P). Defecțiunile simetrice reprezintă 2 până la 5% din toate defecțiunile sistemului. Cu toate acestea, ele pot cauza daune foarte grave echipamentelor, chiar dacă sistemul rămâne echilibrat.

Defecțiune fixată

Un caz extrem este atunci când defecțiunea are o impedanță zero, oferind curentul de scurtcircuit prospectiv maxim. Noțional, toți conductorii sunt considerați conectați la pământ ca și cum ar fi printr-un conductor metalic; aceasta se numește „defecțiune solidă”. Ar fi neobișnuit într-un sistem de alimentare bine proiectat să existe un scurtcircuit metalic la pământ, dar astfel de defecțiuni pot apărea din întâmplare. Într-un tip de protecție a liniei de transmisie, o „defecțiune solidă” este introdusă în mod deliberat pentru a accelera funcționarea dispozitivelor de protecție.

Defecțiune de împământare

O defecțiune de împământare este orice defecțiune care permite conectarea neintenționată a conductorilor circuitului de putere cu pământul.^{[necesită citare]} Astfel de defecțiuni pot cauza curenți de circulație neplăcuți sau pot energiza carcasele echipamentelor la o tensiune periculoasă. Unele sisteme speciale de distribuție a energiei electrice pot fi proiectate să tolereze o singură defecțiune de împământare și să continue să funcționeze. Codurile de cablare pot necesita un dispozitiv de monitorizare a izolației pentru a emite un alarmă într-un astfel de caz, astfel încât cauza defecțiunii de împământare să poată fi identificată și remediată. Dacă se dezvoltă o a doua defecțiune de împământare într-un astfel de sistem, acesta poate duce la supracurent sau la defectarea componentelor. Chiar și în sistemele care sunt în mod normal conectate la pământ pentru a limita supratensiunile, unele aplicații necesită un întrerupător de curent de defect de împământare sau un dispozitiv similar pentru a detecta defecțiunile de împământare.

Defecțiuni realiste

În mod realist, rezistența într-o defecțiune poate fi de la aproape zero până la destul de mare în raport cu rezistența de sarcină. O cantitate mare de putere poate fi consumată în defecțiune, comparativ cu cazul cu impedanță zero, unde puterea este zero. De asemenea, arcurile electrice sunt foarte neliniare, astfel încât o rezistență simplă nu este un model bun. Toate cazurile posibile trebuie luate în considerare pentru o analiză bună.^[4]

Defecțiune de arc

Când tensiunea sistemului este suficient de mare, se poate forma un arc electric între conductorii sistemului de alimentare și pământ. Un astfel de arc poate avea o impedanță relativ mare (comparativ cu nivelurile normale de operare ale sistemului) și poate fi dificil de detectat prin simpla protecție de supracurent. De exemplu, un arc de câteva sute de amperi pe un circuit care transportă în mod normal un curent de o mie de amperi s-ar putea să nu declanșeze întreruptoarele de circuit de supracurent, dar poate provoca daune enorme la barele de distribuție sau cabluri înainte de a deveni un scurtcircuit complet. Sistemele de alimentare utilitare, industriale și comerciale au dispozitive de protecție suplimentare pentru a detecta curenții relativ mici, dar nedoriți, care scapă la pământ. În instalațiile electrice rezidențiale, reglementările electrice pot necesita acum întrerupătoare de circuit cu arc pentru circuitele de cablare a clădirilor, pentru a detecta arcurile mici înainte ca acestea să provoace daune sau incendiu. De exemplu, aceste măsuri sunt luate în locații care implică apă curentă.

Analiză

Defecțiunile simetrice pot fi analizate prin aceleași metode ca orice alt fenomen din sistemele de alimentare și, de fapt, există multe instrumente software pentru a realiza automat acest tip de analiză (vezi studiul fluxului de putere). Cu toate acestea, există o altă metodă care este la fel de precisă și este de obicei mai instructivă.

Mai întâi, se fac unele ipoteze simplificatoare. Se presupune că toate generatoarele electrice din sistem sunt în fază și funcționează la tensiunea nominală a sistemului. Motoarele electrice pot fi, de asemenea, considerate generatoare, deoarece atunci când apare o defecțiune, ele de obicei furnizează decât consumă energie. Tensiunile și curenții sunt apoi calculați pentru acest caz de bază.

Apoi, se consideră că locația defecțiunii este alimentată cu o sursă de tensiune negativă, egală cu tensiunea din acel punct în cazul de bază, în timp ce toate celelalte surse sunt setate la zero. Această metodă utilizează principiul superpoziției.

Pentru a obține un rezultat mai precis, aceste calcule ar trebui efectuate separat pentru trei intervale de timp separate:

subtranzitoriu este primul și este asociat cu cei mai mari curenți
tranzitoriu vine între subtranzitoriu și și staționar
staționar apare după ce toți tranzitorii au avut timp să se stabilească

O defecțiune asimetrică încalcă ipotezele de bază utilizate în puterea trifazată, și anume că sarcina este echilibrată pe toate cele trei faze. În consecință, este imposibil să se utilizeze direct instrumente precum diagrama uniliniară, unde se ia în considerare doar o fază. Cu toate acestea, datorită liniarității sistemelor de putere, este obișnuit să se considere tensiunile și curenții rezultați ca o superpoziție a componentelor simetrice, cărora li se poate aplica analiza trifazată.

În metoda componentelor simetrice, sistemul de putere este văzut ca o superpoziție a trei componente:

o componentă de secvență pozitivă, în care fazele sunt în aceeași ordine ca sistemul original, adică a-b-c
o componentă cu secvență negativă, în care fazele sunt în ordinea opusă sistemului original, adică a-c-b
o componentă cu secvență zero, care nu este cu adevărat un sistem trifazic, ci toate cele trei faze sunt în fază una cu cealaltă.

Pentru a determina curenții rezultați dintr-o defecțiune asimetrică, trebuie să se cunoască mai întâi impedanțele per unitate de secvență zero, pozitivă și negativă ale liniilor de transmisie, generatoarelor și transformatoarelor implicate. Apoi se construiesc trei circuite separate utilizând aceste impedanțe. Circuitele individuale sunt apoi conectate împreună într-o anumită configurație care depinde de tipul de defecțiune studiat (aceasta poate fi găsită în majoritatea manualelor de sisteme de putere). Odată ce circuitele de secvență sunt conectate corect, rețeaua poate fi analizată utilizând tehnici clasice de analiză a circuitelor. Soluția rezultă în tensiuni și curenți care există ca componente simetrice; acestea trebuie transformate înapoi în valori de fază utilizând matricea A.

Analiza curentului de scurtcircuit prospectiv este necesară pentru selectarea dispozitivelor de protecție, cum ar fi siguranțele fuzibile și întrerupătoare automate. Dacă un circuit trebuie să fie protejat corespunzător, curentul de defect trebuie să fie suficient de mare pentru a opera dispozitivul de protecție într-un timp cât mai scurt posibil; de asemenea, dispozitivul de protecție trebuie să fie capabil să reziste la curentul de defect și să stingă orice arc rezultat fără ca el însuși să fie distrus sau să susțină arcul pentru o perioadă semnificativă de timp.

Mărimea curenților de defect diferă foarte mult în funcție de tipul de sistem de împământare utilizat, tipul de alimentare și sistemul de împământare al instalației și proximitatea acesteia față de alimentare. De exemplu, pentru o alimentare domestică de 230 V, 60 A TN-S din Marea Britanie sau 120 V/240 V din SUA, curenții de defect pot fi de câteva mii de amperi. Rețelele de joasă tensiune mari cu surse multiple pot avea niveluri de defect de 300.000 de amperi. Un sistem cu împământare cu rezistență mare poate limita curentul de defect fază-pământ la numai 5 amperi. Înainte de selectarea dispozitivelor de protecție, curentul de defecțiune prospectiv trebuie măsurat în mod fiabil la originea instalației și la punctul cel mai îndepărtat al fiecărui circuit, iar aceste informații aplicate corect la aplicarea circuitelor.

Detectarea și localizarea defecțiunilor

Liniile electroenergetice aeriene sunt cele mai ușor de diagnosticat, deoarece problema este de obicei evidentă, de exemplu, un copac a căzut peste linie sau un stâlp de utilitate este rupt, iar conductorii sunt întinși pe pământ.

Localizarea defecțiunilor într-un sistem de cabluri se poate face fie cu circuitul dezactivat, fie, în unele cazuri, cu circuitul sub tensiune. Tehnicile de localizare a defecțiunilor pot fi împărțite în moduri terminale, care utilizează tensiuni și curenți măsurați la capetele cablului, și metode de urmărire, care necesită inspecție de-a lungul cablului. Metodele terminale pot fi utilizate pentru a localiza zona generală a defecțiunii, pentru a accelera urmărirea pe un cablu lung sau îngropat.^[5]

În sistemele de cablare foarte simple, locația defecțiunii este adesea găsită prin inspecția firelor. În sistemele de cablare complexe (de exemplu, cablajul aeronavelor), unde firele pot fi ascunse, defecțiunile de cablare sunt localizate cu un reflectometru în domeniul timp.^[6] Reflectometrul în domeniul timp trimite un impuls de-a lungul firului și apoi analizează impulsul reflectat de retur pentru a identifica defecțiunile din firul electric.

În cablurile telegrafice submarine istorice, galvanometrele sensibile erau folosite pentru a măsura curenții de defecțiune; prin testare la ambele capete ale unui cablu defect, locația defecțiunii putea fi izolată la câțiva kilometri distanță, ceea ce permitea recuperarea și repararea cablului. Bucla Murray și bucla Varley erau două tipuri de conexiuni pentru localizarea defecțiunilor în cabluri.

Uneori, o defecțiune de izolare într-un cablu de alimentare nu apare la tensiuni mai mici. Un set de testare „thumper” aplică un impuls de înaltă energie și înaltă tensiune cablului. Localizarea defecțiunii se face prin ascultarea sunetului descărcării la defecțiune. Deși acest test contribuie la deteriorarea cablului, este practic deoarece locația defecțiunii ar trebui să fie reizolată oricum.^[7]

Într-un sistem de distribuție cu împământare cu rezistență mare, un feeder poate dezvolta o defecțiune de împământare, dar sistemul continuă să funcționeze. Feeder-ul defect, dar energizat, poate fi găsit cu un transformator de curent de tip inel care colectează toate firele de fază ale circuitului; numai circuitul care conține un defect la pământ va arăta un curent dezechilibrat net. Pentru a face curentul de defect la pământ mai ușor de detectat, rezistorul de împământare al sistemului poate fi comutat între două valori astfel încât curentul de defect să pulseze.

Baterii

Curentul de scurtcircuit prospectiv al bateriilor mai mari, cum ar fi bateriile cu ciclu profund utilizate în sistemele de alimentare autonome, este adesea furnizat de producător.

În Australia, atunci când această informație nu este furnizată, curentul de scurtcircuit prospectiv în amperi „ar trebui considerat a fi de 6 ori capacitatea nominală a bateriei la rata C120 A·h”, conform AS 4086 partea 2 (Anexa H).

Note

^ Paolone, M.; Petrache, E.; Rachidi, F.; Nucci, C.A.; Rakov, V.; Uman, M.; Jordan, D.; Rambo, K.; Jerauld, J. (august 2005). „Lightning Induced Disturbances in Buried Cables—Part II: Experiment and Model Validation” (PDF). IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 47 (3): 509–520. doi:10.1109/TEMC.2005.853163. Accesat în 11 noiembrie 2022.
^ ^a ^b ^c „What are the Different Types of Faults in Electrical Power Systems?”. ElProCus - Electronic Projects for Engineering Students. 5 februarie 2014.
^ Grainger, John J. (2003). Power System Analysis. Tata McGraw-Hill. p. 380. ISBN 978-0-07-058515-7.
^ „INVESTIGATING TREE-CAUSED FAULTS | Reliability & Safety content from TDWorld”. TDWorld.
^ Murari Mohan Saha, Jan Izykowski, Eugeniusz Rosolowski Fault Location on Power Networks Springer, 2009 ISBN: 1-84882-885-3, page 339
^ Smith, Paul, Furse, Cynthia and Gunther, Jacob. "Analysis of Spread Spectrum Time Domain Reflectometry for Wire Fault Location." IEEE Sensors Journal. December, 2005.
^ Edward J. Tyler, 2005 National Electrical Estimator , Craftsman Book Company, 2004 ISBN: 1-57218-143-5 page 90

Generale

Glover, J.D.; Sarma, M.S. (2002). Power System Analysis and Design. Brooks/Cole. ISBN 0-534-95367-0.
Burton, G.C. Power Analysis.

Vezi și

[1] Paolone, M.; Petrache, E.; Rachidi, F.; Nucci, C.A.; Rakov, V.; Uman, M.; Jordan, D.; Rambo, K.; Jerauld, J. (august 2005). „Lightning Induced Disturbances in Buried Cables—Part II: Experiment and Model Validation” (PDF). IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility. 47 (3): 509–520. doi:10.1109/TEMC.2005.853163. Accesat în 11 noiembrie 2022.

[auto-2] „What are the Different Types of Faults in Electrical Power Systems?”. ElProCus - Electronic Projects for Engineering Students. 5 februarie 2014.

[3] Grainger, John J. (2003). Power System Analysis. Tata McGraw-Hill. p. 380. ISBN 978-0-07-058515-7.

[4] „INVESTIGATING TREE-CAUSED FAULTS | Reliability & Safety content from TDWorld”. TDWorld.

[5] Murari Mohan Saha, Jan Izykowski, Eugeniusz Rosolowski Fault Location on Power Networks Springer, 2009 ISBN: 1-84882-885-3, page 339

[6] Smith, Paul, Furse, Cynthia and Gunther, Jacob. "Analysis of Spread Spectrum Time Domain Reflectometry for Wire Fault Location." IEEE Sensors Journal. December, 2005.

[7] Edward J. Tyler, 2005 National Electrical Estimator , Craftsman Book Company, 2004 ISBN: 1-57218-143-5 page 90

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]