Criterii de alegere a aparatelor electrice

Aspecte generale

Aparatele electrice alese trebuie sa satisfaca o serie de grupe de criterii tehnice, indicandu-se valorile necesare determinate de solicitarile din instalatii si valorile garantate de fabricanti pentru toate aceste criterii.

Principalele grupe de criterii tehnice pentru alegerea aparatelor electrice sunt:

conditii ambientale,

caracteristici constructive,

caracteristici de izolatie,

curent nominal,

frecventa nominala,

comportarea in regim de scurtcircuit,

criterii specifice.

Criteriile tehnice de alegere a aparatelor electrice trebuie insotite de criterii economice (investitii, costuri pentru intretinere si reparatii etc.), precum si de criterii privind incadrarea in mediul ambiant (masa, gabarit, aspect estetic, poluare etc.).

Conditii ambientale

2.1 Tipul constructive al instalatiei

Instalatiile electrice pot fi interioare sau exterioare. De regula, pentru tensiuni nominale de peste 110 kV, majoritatea statiilor electrice clasice se realizeaza tip exterior. Instalatiile de tip interior sunt protejate impotriva intemperiilor. In statiile interioare nu se recomanda alegerea unor aparate cu volum mare de ulei, avand in vedere riscul unor explozii si incendii care se pot produce in asemenea situatii.

2.2 Altitudinea

De regula, fabricantii de aparate garanteaza performantele de catalog pentru inaltimi de functionare a instalatiilor sub 1000 m. Pentru altitudini mai mari (de peste 1000 m), unele performante electrice si eventual, conditiile de stingere a arcului electric se inrautatesc, constructorii de aparate indicand coeficienti pentru corectia acestora.

2.3 Conditiile climatice

Se refera la principalii factori meteorologici la care trebuie sa reziste aparatele electrice (tabelul 1). Temperatura influenteaza conditiile de racire si incarcarile admisibile ale circuitelor; umiditatea si precipitatiile influenteaza comportarea izolatiei si stingerea arcului electric.

Tabelul 1

Conditii climatice la amplasarea instalatiilor electrice

* Grosimea stratului de chiciura difera in functie de zona meteo in care se amplaseaza instalatia.

Observatie. Pentru conditii climatice deosebite (clima tropicala, clima rece etc.), se pot comanda aparate cu protectii climatice speciale.

2.4 Gradul de poluare

Acest criteriu se refera la poluarea atmosferei (produsa de fum, praf, vapori ai unor substante chimice etc.) in zona in care se amplaseaza aparatele si este necesar a se cunoaste pentru a evita conturnarile care pot solicita in mod periculos instalatiile electrice. Din punctul de vedere al gradului de poluare, PE 109 imparte zonele geografice in patru categorii (tabelul 2), pentru care se recomanda lungimea liniei de fuga necesara alegerii izolatiei externe a instalatiilor electrice.

Pentru instalatiile electrice uzuale de tip exterior, nivelul de izolatie corespunde unui grad mai redus de poluare (I sau II).

Considerarea unor instalatii de tip interior poate aparea oportuna pentru zone mai puternic poluate (in apropierea platformelor industriale, in zone marine etc.).

Tabelul 2

Clasificarea zonelor de poluare

In instalatiile electrice de tip interior, izolatia aparatajului electric se alege pe baza considerentelor tehnico-economice, astfel:

izolatie pentru exterior, corespunzatoare cel putin nivelului I de poluare, pentru cazurile in care cladirea este protejata impotriva patrunderii din exterior a impuritatilor, prin etansare si presurizare interioara;

izolatie pentru interior (fara conditii impuse pentru linia de fuga sau natura materialului izolant), in cazul in care se asigura prin climatizare o umiditate relativa a aerului sub limita de 65%, la +20 C.

Caracteristici constructive

Se refera la corespondenta dintre caracteristicile constructive ale instalatiei electrice in care urmeaza a fi integrat aparatul electric si o serie de aspecte constructive ale acestuia.

3.1 Tipul constructiv al aparatului

Este determinat de tipul instalatiei in care se monteaza aparatul si se indica prin principiul de functionare. Spre exemplu, atunci cand se urmareste compactarea instalatiei se poate utiliza aparataj debrosabil sau module compacte, cu izolare in aer sau in hexafluorura de sulf.

3.2 Numarul de poli sau unitati constructive

Acest criteriu se aplica de la caz la caz. Astfel, in cazul aparatelor de comutatie, numarul de poli se alege in concordanta cu numarul de faze ale circuitului si specificul legaturii respective. Transformatoarele de curent fiind de constructie monofazata, in majoritatea cazurilor se vor utiliza cate trei unitati monofazate pe circuit etc.

3.3 Destinatia (clasa) aparatului

Acest criteriu se aplica la putine aparate. Spre exemplu, sigurantele fuzibile se aleg pentru uz general sau pentru insotirea unor alte aparate (de exemplu, transformatoare de tensiune).

Caracteristici ale izolatiei

Se refera la solicitarile la tensiune ale aparatelor in instalatiile electrice. De regula, se utilizeaza criteriile precizate in continuare.

4.1 Tensiunea nominala

Tensiunea nominala (U_n) este o marime cu caracter reprezentativ, folosita pentru denumirea instalatiilor si ca marime de referinta, la care se raporteaza anumite caracteristici de functionare.

La alegerea aparatelor electrice, trebuie indeplinita conditia:

(1.)

unde U_{n retea} este tensiunea nominala a retelei. Valorile normate pentru retele cu trei conductoare sunt, de obicei, marimile efective intre faze si sunt indicate pentru punctul de livrare[1]. Respectandu-se recomandarea generala a Comisiei Electrotehnice Internationale (CEI) ca, in aceeasi tara, raportul intre doua tensiuni nominale succesive sa nu fie mai mic de cifra doi, in Romania sunt standardizate urmatoarele tensiuni [58]:

pentru retele de curent alternativ (cu trei sau patru conductoare), a caror tensiune nominala este cuprinsa intre 100 V si 1000 V (inclusiv) si echipamentul aferent au fost adoptate urmatoarele trepte, denumite de "joasa tensiune":

230/400 V, 400/690 V, 1000 V;

pentru retele trifazate de curent alternativ si echipamentul aferent de "inalta tensiune" au fost adoptate treptele prezentate in tabelul 3.

Inegalitatea din relatia (1) se poate justifica pentru altitudini mai mari de 1000 m sau in cazul in care treapta de tensiune necesara nu face parte din nomenclatorul fabricilor constructoare de aparate electrice. Spre exemplu, in instalatiile cu tensiunea nominala 6 kV se pot folosi aparate cu tensiunea nominala 10kV.

4.2 Tensiunea cea mai ridicata pentru echipament

La alegerea aparatelor electrice, cea mai mare valoare a tensiunii intre faze (U_ME) pentru care poate fi utilizat un echipament (tabelul 3) trebuie sa indeplineasca conditia:

(2.)

unde U_MS este tensiunea maxima de serviciu a retelei, respectiv, cea mai mare valoare efectiva a tensiunii intre doua faze, definita intr-un punct al retelei si la un moment dat, in conditii normale de exploatare.

Tabelul 3

Trepte de inalta tensiune standardizate in Romania

(*) - aceste valori nu trebuie utilizate pentru retele de distributie publica

4.3 Nivelul de izolatie

Se defineste prin:

tensiunea nominala de tinere la frecventa industriala (U_tf) pentru instalatii cu tensiuni U_Me 300 kV sau tensiunea de tinere la impuls de comutatie pentru instalatii cu U_Me > 300 kV

tensiunea nominala de tinere la unda de trasnet (U_ti);

lungimea specifica a liniei de fuga (care este determinata de zona de poluare in care se amplaseaza instalatia si deci se alege in corelatie cu conditiile ambientale).

La alegerea aparatelor electrice, trebuie indeplinita conditia:

(3.)

Valorile standardizate in tara noastra pentru categoriile de tensiuni precizate mai sus sunt date in tabelele 4 si 5. Alegerea valorilor din lista 1 sau 2 (tabelul 4) se face tinand seama de gradul de expunere la supratensiuni, de modul de legare la pamant a neutrului retelei si de tipul dispozitivelor de protectie utilizate impotriva supratensiunilor. In situatiile in care se impune un grad ridicat de siguranta in functionare, se utilizeaza aparate corespunzatoare listei 2 (conform PE 109).

Tabelul 4

Niveluri de izolatie asociate celor mai ridicate tensiuni pentru echipament din domeniul medie tensiune"

Tabelul 5

Niveluri de izolatie asociate celor mai ridicate tensiuni pentru echipament din domeniul inalta tensiune'

Observatii

coloanele A indica valorile utilizate pentru toate echipamentele, cu exceptia transformatoarelor de putere;

coloanele B indica valorile utilizate pentru transformatoarele de putere;

valorile dintre paranteze de refera la instalatii la care studiul de coordonare a izolatiei indica posibilitatea aparitiei unor supratensiuni de comutatie cu risc de defect mai mare de 10^-4.

Comportarea in regim de lunga durata (curentul nominal)

Se calculeaza curentul maxim de durata pe fiecare tip reprezentativ de circuit (generator, transformator de legatura, linii de consumator, linii de sistem etc.) si se aleg aparate care au curentul nominal garantat imediat superior.

In scopul facilitarii schimburilor comerciale intre diversi parteneri, fabricantii utilizeaza siruri de numere normalizate, pentru stabilirea seriilor de curenti si puteri nominale (de catalog) ale echipamentelor electrice. Organizatia internationala de standardizare (ISO) recomanda ca mod de realizare a sirurilor normale de numere utilizarea unor multiplicatori, ca de exemplu:

multiplicatorul m₁₀ = = 1,25 (formeaza sirul de numere R10);

multiplicatorul m₅ = = 1,6 (formeaza sirul de numere R5).

Tabelul 6

Siruri de numere normalizate utilizate pentru curenti si puteri nominale

Observatii: aceste valori pot fi rotunjite; se admite multiplicarea valorilor cu 10ⁿ, in care n este un numar intreg, pozitiv sau negativ.

Curentul maxim de durata (I_md) se stabileste in functie de tipul circuitului. De exemplu:

circuitul de generator sau bloc generator-transformator: I_md este curentul nominal al generatorului;

circuitul de transformator: I_md este curentul nominal al transformatorului;

circuitele de cupla: I_md se considera cel putin egal cu curentul celui mai mare circuit racordat la bare ;

linie de interconexiune: I_md este curentul de stabilitate termica a conductoarelor sau curentul rezultat din studiul circulatiei de puteri din sistem;

linie de alimentare: I_md este curentul maxim al ansamblului consumatorilor alimentati cu luarea in considerare a perspectivei lor de dezvoltare in anii urmatori.

F Pentru transformatoarele de curent se admite o supraincarcare in regim de lunga durata de pana la 20% din valoarea curentului nominal.

Frecventa nominala

Aparatele trebuie folosite in domeniul de frecvente indicat de fabrica constructoare.

Comportarea in regim de scurtcircuit

Pentru aparatele electrice inseriate pe circuit, comportarea in regim de scurtcircuit se analizeaza prin doua criterii reprezentative.

1 Stabilitatea electrodinamica

Pentru a asigura functionarea fara deteriorari ale aparatelor, trebuie ca valoarea garantata de fabricant (I_d) sa fie mai mare decat curentul de soc, deci sa fie indeplinita conditia:

kA_max (4.)

unde i_soc este curentul de soc, respectiv valoarea maxima instantanee a curentului total de scurtcircuit, care se calculeaza cu relatia:

kA_max

in care k_soc     este coeficientul de soc, iar I_po este valoarea initiala a curentului periodic de scurtcircuit.

In cazul folosirii unor aparate cu efect limitator (de exemplu, sigurante fuzibile) se vor utiliza indicatiile fabricantului pentru calculul curentului de soc limitat.

2 Stabilitatea termica

Pentru a asigura functionarea fara deteriorari ale aparatelor, trebuie ca valoarea garantata de fabricant pentru o solicitare cu durata de 1 secunda (I_{limita t}) trebuie sa fie mai mare decat curentul echivalent termic (I_et), deci sa fie indeplinita conditia:

kA (6.)

Curentul echivalent termic se calculeaza cu relatia:

kA ()

in care:

m este un coeficient care tine seama de influenta componentei aperiodice asupra curentului de scurcircuit;

n - coeficient care tine seama de variatia in timp a componentei periodice a curentului de scurtcircuit;

t_d - durata de deconectare a defectului (care, in absenta altor date mai exacte, se poate alege de 1 secunda).

Criterii specifice fiecarui tip de aparat

Pentru fiecare tip de aparat sunt valabile anumite criterii specifice, care vor fi prezentate in mod distinct.

8.1 Criterii specifice pentru intreruptoare

Capacitatea de rupere la scurtcircuit

In aceasta grupa de criterii intra o serie de criterii, dintre care, pentru o prima alegere (orientativa) a intreruptorului este necesara verificarea comportarii acestuia in conditii de scurtcircuit.

Capacitatea nominala de rupere la scurtcircuit reprezinta cel mai mare curent de scurtcircuit (I_r) pe care intreruptorul trebuie sa fie capabil sa-l intrerupa in conditiile de utilizare si functionare prescrise, intr-un circuit in care tensiunea de restabilire la frecventa retelei corespunde tensiunii nominale a intreruptorului, iar tensiunea tranzitorie de restabilire corespunde valorii nominale indicate de constructor. In principal, trebuie verificata conditia:

kA (8.).

Capacitatea de inchidere pe scurtcircuit

Se verifica prin conditia:

kA_max (9.).

De regula, aceasta conditie coincide cu verificarea stabilitatii electrodinamice a intreruptorului.

Alte criterii pentru alegerea intreruptoarelor

Pentru anumite cazuri particulare de comutatie sunt necesare verificari suplimentare referitoare la performantele intreruptoarelor. Exemple in acest sens sunt: deconectarea scurtcircuitului apropiat de linie (defectul kilometric), intreruperea curentilor mici inductivi, intreruperea curentilor capacitivi, deconectarea defectului consecutiv, declansarea si anclansarea in opozitie de faza, deconectarea scurtcircuitului prin dubla punere la pamant.

8.2 Criterii specifice pentru separatoare

Capacitatea de inchidere si de conectare

Garantii cu privire la capacitatea de rupere si de inchidere a separatoarelor trebuie cerute constructorului in urmatoarele cazuri:

pentru separatoarele care in lipsa unui intreruptor sunt folosite la comutarea curentilor de mers in gol al transformatoarelor de forta;

pentru separatoarele care trebuie sa comute curentii de mers in gol ai unor LEA sau LEC;

pentru separatoarele care trebuie sa comute curentul de magnetizare al transformatoarelor de tensiune.

Sistemul de actionare

Se pot alege sisteme de actionare manuale sau mecanice (pneumatice, hidraulice, cu motor electric). Pentru separatoarele care pot indeplini numai functia de separare electrica, de regula se alege actionarea manuala. La separatoarele care sunt folosite si in cadrul manevrelor de comutatie, datorita rapiditatii care poate fi necesara, se prefera actionarea mecanica. Pentru tensiuni inalte, actionarea este monofazata sau trifazata (la 110 kV exista ambele solutii, dar de la 220 kV in sus exista numai dispozitive de actionare monofazate, deoarece gabaritele sunt mai mari, puterile necesare de actionare sunt mai mari etc.). Cutitele de legare la pamant se prevad cu dispozitive de actionare distincte.

8.3 Criterii specifice pentru transformatoare de masurare de curent

Curentul secundar nominal

Valoarea garantata poate fi 5 A sau 1 A (pentru tensiuni peste 220-400 kV, in situatiile cand conductoarele circuitului secundar au lungimi mari). Valoarea necesara se calculeaza in functie de valoarea primara necesara si de raportul nominal de transformare al transformatorului de curent.

Numarul de infasurari secundare

Acesta este dependent de numarul de aparate pe care transformatorul de curent urmeaza sa le alimenteze, precum si de valoarea incarcarii circuitului pe care acesta se amplaseaza. De obicei, se prevede alimentare separata, de la infasurari secundare distincte, pentru urmatoarele categorii de receptoare:

aparate de masurare,

aparate de protectie si automatizare (exclusiv protectiile diferentiale),

aparatele aferente fiecarei protectii diferentiale in parte,

dispozitivele de actionare.

Clasa de precizie

Dintre aparatele care se conecteaza la o infasurare secundara a transformatorului de curent, cel care admite erori minime in alimentare determina alegerea clasei de precizie a infasurarii respective. Clasa de precizie este caracteristica fiecarei infasurari si se alege din oferta fabricantilor de aparate. Prescriptiile de proiectare prevad, pentru cazurile uzuale:

clasa 0,2 pentru alimentarea aparatelor de laborator, a contoarelor de interconexiune cu alte tari;

clasa 0,5 pentru alimentarea celorlalte contoare;

clasa 1 pentru alimentarea aparatelor indicatoare si inregistratoare utilizate pentru evidente tehnice,

clasa P pentru alimentarea majoritatii tipurilor de protectii.

Puterea secundara

Pentru fiecare infasurare secundara, puterea secundara necesara se calculeaza in functie de aparatele racordate in secundarul transformatorului respectiv si se compara cu valoarea nominala garantata de fabricant.

Alte caracteristici ale transformatoarelor de curent

Alegerea riguroasa a transformatoarelor de curent presupune considerarea si a altor caracteristici, cum ar fi coeficientul de saturatie, conexiunea infasurarilor secundare, sectiunea circuitului secundar etc. [3].

8.4 Criterii specifice transformatoarelor de masurare de tensiune

Numarul de unitati componente si schema lor de conexiuni

In principal, alegerea se face in functie de aparatele de masurare si de protectie care trebuie alimentate (fig. 1). Circuitele secundare sunt prevazute cu o legatura la pamant pentru securitatea personalului si cu sigurante fuzibile pentru protectia transformatorului de tensiune si a conductoarelor in caz de scurtcircuit.

Fig. 1. Exemple de scheme de conexiuni ale transformatoarelor de tensiune

a - transformator bipolar conectat intre doua faze; b - doua transformatoare monofazate

in montaj "V", c - trei transformatoare monofazate cu o singura infasurare secundara; d - trei transformatoare monofazate cu doua infasurari secundare; e - transformator trifazat in stea cu trei coloane; f - transformator trifazat in stea cu cinci coloane

Observatie. Neutrele stelelor transformatoarelor de tensiune se leaga obligatoriu la pamant, din motive de protectie a muncii pentru personalul care lucreaza, citeste, verifica aparatele de masurare, protectiile si automatizarile alimentate de acestea.

Cele mai uzuale solutii sunt:

un transformator bipolar pentru masurarea tensiunii intre faze;

doua transformatoare bipolare conectate in V, care pot masura toate cele trei tensiuni dintre faze;

un transformator monopolar (cu o singura borna de inalta tensiune) care se foloseste pentru masurarea tensiunii intre o faza si pamant;

trei transformatoare monopolare prevazute fiecare cu cate o infasurare de baza si una auxiliara.

De regula, pentru tensiuni U_n 110 kV, se utilizeaza transformatoare de tip capacitiv (care sunt simbolizate in Romania prin TECU sau TECH).

Tensiunea secundara nominala

De regula, valoarea necesara este egala cu valoarea garantata de fabricant; se va acorda atentie valorilor diferite pentru infasurari secundare diferite, dupa cum urmeaza:

pentru infasurarea de baza:

100 V - pentru transformatoare bipolare,

V - pentru transformatoare monopolare;

pentru infasurarea auxiliara:

100/3 V - pentru cazul instalatiilor in care neutrul nu este efectiv legat la pamant (U_n < 110 kV

100 V - pentru instalatii in care neutrul este efectiv legat la pamant.

Clasa de precizie

Alegerea acesteia se face in functie de conditiile pe care le impun aparatele racordate in secundar.

Clasa de precizie este caracteristica fiecarei infasurari si se alege din oferta fabricantilor de aparate. Prescriptiile de proiectare prevad, pentru cazurile uzuale:

clasa 0,2 pentru alimentarea aparatelor de laborator, a contoarelor de interconexiune cu alte tari;

clasa 0,5 pentru alimentarea celorlalte contoare;

clasa 1 pentru alimentarea aparatelor indicatoare si inregistratoare utilizate pentru evidente tehnice,

clasa 0,5 pentru regulatoare de tensiune,

clasa 1 pentru protectiile care necesita o precizie mai mare in alimentare,

clasa 3P (sau 6P) pentru protectii.

Puterea secundara

In mod normal, puterea secundara necesara se calculeaza in functie de aparatele de masurare, protectiile, automatizarile racordate in secundarul transformatorului de tensiune respectiv si se compara cu valoarea nominala garantata de fabricant.

Puterea limita termica

Daca transformatorul de tensiune este utilizat numai ca sursa de energie (de exemplu, pentru alimentarea unor lampi de semnalizare) si nu intereseaza erorile, sarcina ceruta in secundar poate sa depaseasca puterea secundara nominala, dar nici intr-un caz nu trebuie sa fie mai mare decat puterea limita termica a infasurarii, precizata de fabricant.

Observatie: Transformatoarele de tensiune fiind aparate electrice conectate la retea in derivatie, ele nu sunt parcurse de curent de scurtcircuit decat daca scurtcircuitul are loc chiar in transformator. In aceste conditii nu se mai pune problema verificarii stabilitatii lor la scurtcircuit.