Protezione contro i sovratensioni
Ci sono sempre possibilità che un sistema elettrico di potenza subisca sovravoltaggi anomali. Questi sovravoltaggi anomali possono essere causati da vari motivi, come l'interruzione improvvisa di carichi pesanti, impulsi dovuti a fulmini, impulsi di commutazione, ecc. Queste tensioni di sovravoltaggio possono danneggiare l'isolamento di varie apparecchiature e isolatori del sistema di potenza. Sebbene non tutte le tensioni di sovravoltaggio siano abbastanza forti da danneggiare l'isolamento del sistema, questi sovravoltaggi devono comunque essere evitati per garantire il funzionamento regolare del sistema elettrico di potenza.
Tutti questi tipi di sovravoltaggi anomali, sia distruttivi che non, vengono eliminati dal sistema mediante la protezione contro i sovravoltaggi.
Impulso di tensione
Le tensioni di sovravoltaggio applicate al sistema di potenza sono generalmente transitorie. L'impulso di tensione o impulso di sovravoltaggio è definito come un aumento improvviso della tensione a un picco elevato in un periodo molto breve.
Gli impulsi di tensione sono di natura transitoria, il che significa che esistono per un periodo molto breve. Le principali cause di questi impulsi di tensione nel sistema di potenza sono dovute a impulsi di fulmine e impulsi di commutazione del sistema. Tuttavia, i sovravoltaggi nel sistema di potenza possono anche essere causati da fallimenti dell'isolamento, archi a terra e risonanza, ecc.
Gli impulsi di tensione che appaiono nel sistema elettrico di potenza a causa di impulsi di commutazione, fallimenti dell'isolamento, archi a terra e risonanza non sono molto grandi in magnitudine. Questi sovravoltaggi difficilmente superano il doppio del livello di tensione normale. In generale, un'isolamento adeguato delle diverse apparecchiature del sistema di potenza è sufficiente per prevenire qualsiasi danno dovuto a questi sovravoltaggi. Tuttavia, i sovravoltaggi che si verificano nel sistema di potenza a causa dei fulmini sono molto alti. Se non viene fornita una protezione contro i sovravoltaggi al sistema di potenza, ci può essere una alta probabilità di danni gravi. Pertanto, tutti i dispositivi di protezione contro i sovravoltaggi utilizzati nel sistema di potenza sono principalmente dovuti agli impulsi di fulmine.
Discutiamo ora le diverse cause dei sovravoltaggi una per una.
Impulso di commutazione o impulso di commutazione
Quando una linea di trasmissione a vuoto viene improvvisamente accesa, la tensione sulla linea diventa il doppio della tensione normale del sistema. Questa tensione è di natura transitoria. Quando una linea caricata viene improvvisamente spenta o interrotta, la tensione sulla linea diventa abbastanza alta. Il troncamento della corrente nel sistema, soprattutto durante l'operazione di apertura di un interruttore ad aria compressa, causa sovravoltaggi nel sistema. Durante un fallimento dell'isolamento, un conduttore attivo viene improvvisamente messo a terra. Ciò può anche causare un sovravoltaggio improvviso nel sistema.
Se l'onda di forza elettromotrice prodotta dall'alternatore è distorta, il problema di risonanza può verificarsi a causa degli armonici di 5th o superiori. In realtà, per frequenze di 5th o superiori, si presenta una situazione critica nel sistema, in cui la reattività induttiva del sistema diventa esattamente uguale alla reattività capacitiva del sistema. Poiché queste due reattività si annullano a vicenda, il sistema diventa puramente resistivo. Questo fenomeno è chiamato risonanza e, in risonanza, la tensione del sistema può aumentare notevolmente.
Tuttavia, tutte le ragioni menzionate sopra creano sovravoltaggi nel sistema che non sono molto alti in magnitudine.
Tuttavia, gli impulsi di sovravoltaggio che appaiono nel sistema a causa degli impulsi di fulmine sono molto alti in ampiezza e altamente distruttivi. L'effetto degli impulsi di fulmine deve quindi essere evitato per la protezione contro i sovravoltaggi del sistema di potenza.
Metodi di protezione contro i fulmini
Ci sono principalmente tre metodi principali generalmente utilizzati per la protezione contro i fulmini. Essi sono
Schermo di terra.
Cavo di terra aerei.
Parafulmine o divisori di impulsi.
Schermo di terra
Lo schermo di terra è generalmente utilizzato su sottostazioni elettriche. In questo schema, una rete di filo di ferro galvanizzato (GI) è montata sopra la sottostazione. I cavi di GI, utilizzati per lo schermo di terra, sono opportunamente collegati a terra attraverso diverse strutture della sottostazione. Questa rete di cavi di GI collegati a terra sopra la sottostazione elettrica, fornisce un percorso di bassa resistenza verso il terreno per i colpi di fulmine.
Questo metodo di protezione ad alta tensione è molto semplice ed economico, ma il principale svantaggio è che non può proteggere il sistema dalle onde viaggianti che possono raggiungere la sottostazione attraverso diversi alimentatori.
Cavo di terra aerei
Questo metodo di protezione contro i sovravoltaggi è simile allo schermo di terra. La sola differenza è che uno schermo di terra è posizionato sopra una sottostazione elettrica, mentre il cavo di terra aerei è posizionato sopra la rete di trasmissione elettrica. Uno o due cavi di GI intrecciati di sezione opportuna sono posizionati sopra i conduttori di trasmissione. Questi cavi di GI sono opportunamente collegati a terra su ogni torre di trasmissione. Questi cavi di terra aerei o cavi di terra dirottano tutti i colpi di fulmine al terreno, invece di permettere loro di colpire direttamente i conduttori di trasmissione.
Parafulmine
I due metodi precedentemente discussi, ovvero lo schermo di terra e il cavo di terra aerei, sono molto adatti per proteggere un sistema elettrico di potenza dai colpi di fulmine diretti, ma questi metodi non possono fornire alcuna protezione contro le onde viaggianti ad alta tensione che possono propagarsi lungo la linea fino alle apparecchiature della sottostazione.
Il parafulmine è un dispositivo che fornisce un percorso di bassa impedenza verso il terreno per le onde viaggianti ad alta tensione.
Il concetto di un parafulmine è molto semplice. Questo dispositivo si comporta come una resistenza elettrica non lineare. La resistenza diminuisce man mano che la tensione aumenta e viceversa, oltre un certo livello di tensione.
Le funzioni di un parafulmine o divisore di impulsi possono essere elencate come segue.
A livello di tensione normale, questi dispositivi resistono facilmente alla tensione del sistema come isolatori elettrici e non forniscono alcun percorso di conduzione per la corrente del sistema.
In caso di impulso di tensione nel sistema, questi dispositivi forniscono un percorso di bassa impedenza per il sovraccarico dell'impulso verso il terreno.
Dopo aver condotto la carica dell'impulso al terreno, la tensione torna al suo livello normale. Quindi, il parafulmine ripristina la sua proprietà di isolamento e previene ulteriori conduzioni di corrente al terreno.
Esistono diversi tipi di parafulmini utilizzati nei sistemi di potenza, come il parafulmine a gap a barra, il parafulmine a gap a corno, il parafulmine a multi-gap, il parafulmine a espulsione, il parafulmine a valvola.
In aggiunta a questi, il parafulmine a ZnO senza gap è oggi il più comunemente utilizzato per la protezione contro i sovravoltaggi.
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