Transcript Regimul dezechilibrat în reţelele electrice şi influenţele acestuia asupra consumatorilor prof.dr.ing. Mircea CHINDRIŞ CUPRINS • 1.

Regimul dezechilibrat în
reţelele electrice şi
influenţele acestuia asupra
consumatorilor
prof.dr.ing. Mircea CHINDRIŞ
CUPRINS
• 1. Introducere
• 2. Regimuri nesimetrice în reţelele electrice
• 3. Indicatori de calitate şi niveluri de
compatibilitate
• 4. Efecte ale regimului nesimetric
• 5. Mijloace pentru limitarea emisiei
perturbatoare sub formă de nesimetrie
1. Introducere
Analiza problemelor legate de nesimetrie
cuprinde două aspecte distincte:
• influenţa asupra caracteristicilor de
funcţionare ale echipamentelor alimentate
cu tensiuni nesimetrice;
• influenţa asupra indicatorilor economici şi
tehnici ai reţelelor de transport şi
distribuţie, precum şi asupra
generatoarelor din sistem.
influenţa asupra caracteristicilor de
funcţionare ale echipamentelor alimentate
cu tensiuni nesimetrice
În acest caz:
furnizorul de energie electrică trebuie să asigure
consumatorului încadrarea indicatorilor de
nesimetrie de tensiune de pe barele de
alimentare în limitele de calitate admise.
Consumatorul este interesat să monitorizeze
tensiunile de alimentare pentru a avea
informaţiile necesare privind nivelul de
nesimetrie şi încadrarea sa în limitele admise.
influenţa asupra indicatorilor economici şi
tehnici ai reţelelor de transport şi distribuţie,
precum şi asupra generatoarelor din sistem
În acest caz:
consumatorul trebuie să asigure încadrarea
perturbaţiilor emise sub formă de nesimetrie în
limitele alocate, stabilite de furnizorul de energie
electrică din condiţia de calitate a energiei
electrice furnizată celorlalţi consumatori din
reţeaua electrică. Furnizorul de energie electrică
este interesat de monitorizarea curenţilor
electrici absorbiţi de consumator şi verificarea
încadrării nesimetriei acestora în limitele alocate
perturbaţiei produse.
2. Regimuri nesimetrice
în reţelele electrice
Un sistem trifazat simetric de mărimi sinusoidale (tensiune
sau curent electric) se caracterizează prin cei trei fazori
reprezentativi care sunt:
 egali în modul;
C
 defazaţi succesiv, unul
faţă de altul, cu un
U
I
unghi
egal cu
U 
2/3. 2/3
CA
C
C
UBC
2/3
2/3
IB

UB

IA
UA
A
UAB
B
Fig. 1. Sistem trifazat simetric de tensiuni şi curenţi electrici.
Reţeaua se numeşte echilibrată dacă impedanţele pe cele
trei faze sunt identice, adică:
 au acelaşi modul;
 au acelaşi argument.
În cazul în care cel puţin una din impedanţele complexe
diferă de celelalte, reţeaua se numeşte dezechilibrată.
Regimul nesimetric poate fi:
• temporar, dacă perturbaţia este determinată de defecte
sau regimuri de funcţionare cu durată limitată în timp
(scurtcircuite nesimetrice, întrerupere a unei faze,
defecte la consumatori etc.);
• permanent, dacă reţeaua electrică prezintă parametri de
circuit diferiţi pe cele trei faze în regim normal de
funcţionare.
Regimul nesimetric permanent poate fi determinat de:
• sarcinile inegale pe cele trei faze ale reţelei de
alimentare de tensiune alternativă trifazată;
• receptoarele monofazate repartizate inegal pe cele trei
faze (iluminat stradal, consumatori casnici etc.)
• receptoare bifazate (aparate de sudare electrică,
cuptoare electrice de inducţie la frecvenţă industrială,
tracţiune electrică etc.);
• receptoare trifazate dezechilibrate (cuptoare cu arc
electric);
• impedanţe diferite ale liniilor electrice pe cele trei faze (în
special liniile electrice aeriene).
3. Indicatori de calitate şi
niveluri de compatibilitate
• factorul de nesimetrie negativă de tensiune (de
disimetrie)

U
k
kU 
U
U
• factorul de nesimetrie de tensiune

U

kns

UN
kns
• Factorul complex de nesimetrie negativă de tensiune

kU
•

U
U


U
U

e
j  
 kU
e
j  
Factorul de nesimetrie zero de tensiune
kU0 
0
U
k
U0
U

• Factorul complex de nesimetrie zero de tensiune
0
kU

U0
U


U0
U

e
j  0
 kU0
e
j  0
k

U
• abaterea maximă a tensiunii de fază
U A  U B  UC
U med 
3
U A  U med
A 
U med
U B  U med
B 
;
U med
U C  U med
C 
.
U med
Nivelul de nesimetrie se determină cu expresia:
U  max k , k  A, B, C
Adică: nesimetria negativă de tensiune este
maximul abaterii faţă de valoarea medie a
tensiunilor celor trei faze, raportată la media
tensiunilor celor trei faze.
Sunt admise următoarele valori ale abaterilor de tensiune:
• la bornele surselor de iluminat şi instalaţiilor exterioare
de iluminat: (2,5...+5)%;
• la bornele motoarelor electrice: (5...+10)%;
• la bornele altor receptoare de energie electrică:
(5...+5)%.
• În cazul regimurilor deformant şi nesimetric se defineşte
factorul de nesimetrie negativă de tensiune

k
corespunzător armonicii fundamentale
U1
kU1 
U1
U1
• Pentru un sistem nesimetric de tensiuni de linie,
valoarea efectivă a componentei de secvenţă pozitivă
a tensiunii, de frecvenţă fundamentală, se poate
determina din relaţia
2
U1 

2
2
2
2
2
2 




2
 U BC1  U CA1  U
    U BC1  U CA1 
3

U

4

U

AB
1
BC
1
AB1  




U AB1
U AB1

 





12
Se admite ca valoarea efectivă a componentei de secvenţă
pozitivă a tensiunii, de frecvenţă fundamentală să fie
calculată cu relaţia aproximativă
U1
U AB1  U BC1  UCA1

3
eroarea de aproximare a valorii efective a componentei
de secvenţă pozitivă a tensiunii, de frecvenţă
fundamentală prin folosirea relaţiei aproximative, în loc
de expresia exactă, nu depăşeşte 0,1%, dacă factorul de
nesimetrie negativă de tensiune nu este mai mare de
6%.
Valoarea efectivă a componentei de secvenţă negativă de
tensiune, de frecvenţă fundamentală poate fi
determinată cu ajutorul relaţiei
2
U1 

2
2
2
2
2
2 



U BC1  U CA1
U BC1  U CA1 


2



3

U

4

U


U

AB1
BC1 
AB1  



U
U AB1
AB
1

 





12
Se admite calculul aproximativ
U1  0,62  Umax1  Umin1 
în care Umax1,Umin1 reprezintă cea mai mare valoare,
respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre cele trei
tensiuni de linie de frecvenţă fundamentală; în acest caz,
eroarea de determinare a componentei de secvenţă
negativă de tensiune nu depăşeşte  8%.
• valoarea efectivă a componentei de secvenţă zero de
tensiune, de frecvenţă fundamentală,
U10
1
  U 02A  U02B
6
2
2
U BC
 U CA
U B21  U A21
1
1
U0 A 
 3
U AB1
U AB1
U 0B 
2
2
U BC
 U CA
2
1
1
4U BC1  (
U AB1
2
 U AB1 )  3 
U B21  U A21
2
4U B1  (
U AB1
 U AB1 ) 2
U10  0,62  U f max1  U f min1
unde Ufmax1 şi Ufmin1 sunt cea mai mare,
respectiv cea mai mică valoare efectivă dintre
tensiunile de fază de frecvenţă fundamentală
factorul total de nesimetrie
kU  kU0  kU
Normativul românesc PE 143/2001 aliniat la normativele
internaţionale, stabileşte necesitatea analizei statistice a
nesimetriei de tensiune şi încadrarea în limita de 2% a
factorului total de nesimetrie în 95% din perioada de
observare (în general o săptămână).
4. Efecte ale regimului
nesimetric
• 4.1. Influente asupra consumatorilor
In cazul consumatorilor, influenţa regimurilor nesimetrice
prezintă aspecte specifice în funcţie de unele
caracteristici ale receptoarelor alimentate. Astfel,
prezenţa la bornele maşinilor rotative a unor tensiuni
nesimetrice conduce, chiar pentru o componentă de
secvenţă negativă de valoare scăzută, la o creştere
considerabilă a pierderilor de putere activă, ceea ce are
ca efect încălzirea suplimentară a înfăşurărilor şi a
diferitelor părţi ale statorului şi ale rotorului. Creşterea
temperaturii afectează izolaţia înfăşurărilor; de exemplu,
prin creşterea temperaturii cu 8C, durata de viaţă a
izolaţiei de clasă A a înfăşurărilor scade la jumătate.
Prin construcţie, motoarele asincrone prezintă o impedanţă
de secvenţă negativă comparabilă cu impedanţa în
regim de pornire, ea fiind de circa 5 ori mai mare decât
impedanţa de secvenţă pozitivă. Ca urmare, un motor
asincron alimentat cu tensiuni nesimetrice absoarbe un
curent de secvenţă negativă important, care va
determina:
• încălzirea suplimentară a statorului şi a rotorului;
• diminuarea puterii disponibile, a cuplului util şi a duratei
de viaţă.
Nesimetria tensiunilor (%)
Parametru
Curentul de secvenţă negativă, (%)
Curentul din stator, (%)
Creşterea pierderilor, (%)
- medie în stator
- maximă
- în stator
- în rotor
- în general, în motor
Creşterea temperaturii, (oC)
- Clasă A
- Clasă B
0
2
3,5
5
0
100
15
101
27
104
38
107,5
0
2
8
15
0
0
0
33
12
8
63
39
25
93
76
50
60
80
65
86
75
100
90
120
Având în vedere aspectele menţionate anterior,
producătorii de maşini electrice recomandă reducerea
corespunzătoare a gradului de încărcare al maşinii ( =
P/Pn pentru maşini rotative, respectiv  = S/Sn pentru
transformatoare) odată cu creşterea gradului de
nesimetrie.
• Importante efecte negative apar şi în cazul alimentării cu
tensiuni nesimetrice a bateriilor de condensatoare.
Deoarece puterea reactivă pe fiecare fază depinde de
pătratul tensiunii aplicate
U 2f
Qf =
XC
bateria de condensatoare, racordată la o reţea cu
tensiune nesimetrică, contribuie ea însăşi la agravarea
nesimetriei având în vedere faptul că pe faza cea mai
încărcată (cu tensiunea pe fază cea mai mică) va fi
debitată cea mai redusă putere reactivă şi deci cea mai
redusă îmbunătăţire a factorului de putere
Nesimetria tensiunilor trifazate poate fi determinată şi de
defazaje diferite de 2/3 între tensiunile de fază. In
acest caz, se constată o perturbare a funcţionării
convertoarelor statice de putere (tiristoare cu comandă
pe fază) rezultând o funcţionare nesincronizată a
tiristoarelor din schema redresorului comandat. Analiza
armonică a curenţilor absorbiţi din reţeaua de alimentare
pune în evidenţă următoarele:
• în afara armonicilor caracteristice (de rang , k  p  m  1
m = 1,2….) apar şi armonici necaracteristice (de
exemplu, în cazul unui redresor cu 6 pulsuri, curentul de
intrare conţine armonici de rang k  6m  3 , m =
0,1,2....);
• valorile efective ale componentelor armonice diferă atât
faţă de cazul alimentării cu tensiuni simetrice cât şi între
cele trei faze;
• rezultă nesimetria curenţilor absorbiţi, aceasta fiind mai
importantă pentru armonicile necaracteristice (de
exemplu, coeficientul de nesimetrie variază între 50% 100% pentru armonica de rang 3 faţă de 10 – 20%
pentru armonicile caracteristice de rang 5 şi 7).
Nesimetria curenţilor de linie determină pierderi suplimentare de putere
Pnes
 1 (kI )2  (kI0 )2 (1 3  Rn / R)
P
Dacă se presupune că defazajele între curenţi sunt egale şi că R = Rn,
relaţia anterioară poate fi pusă sub forma
Pnes
 1 5  (kI )2
P
4.2. Influente asupra sistemului energetic
Pentru furnizorii de energie electrică, existenta regimului
dezechilibrat provoacă efecte asupra maşinilor sincrone,
a transformatoarelor şi bateriilor de condensatoare,
determină creşterea consumului propriu tehnologic şi
influenţează negativ funcţionarea sistemului de protecţie.
O deosebită importanţă o are influenţa nesimetriei
tensiunilor asupra regimurilor de funcţionare ale
maşinilor sincrone de puteri mari, frecvent întâlnite ca
generatoare în centralele electrice. Studiile efectuate în
acest sens au permis elaborarea de normative care
reglementează funcţionarea maşinilor sincrone în
regimuri nesimetrice [13, 14].
Pentru retelele de distributie de joasa tensiune, pierderile suplimentare
determinate de nesimetria sistemului curentilor de linie de
calculeaza tot cu relatia (17); pentru liniile de transport de medie şi
înaltă tensiune, calcularea pierderilor suplimentare este ceva mai
complicată, necesitând luarea în considerare a factorului complex
de nesimetrie al sistemului de curenţi. Detalii pentru aplicarea
acestei metodologii sunt indicate în [9].
In afara pierderilor de putere în conductorul neutru evidenţiate anterior,
curenţii de secvenţă zero cauzează şi probleme de interferenţă cu
sistemele de telecomunicaţii, respectiv sistemele de protecţie.
Pentru acestea din urmă, este greu de deosebit componenta
produsă de defectele monofazate, de cea determinată de sarcinile
puternic dezechilibrate existente în sistem. Pe de altă parte, curenţii
de secvenţă zero pot induce tensiuni în sistemele de comunicaţii
învecinate, conducte de gaz sau conducte de apă (prin cuplaje
magnetice sau rezistive).
5. MIJLOACE PENTRU LIMITAREA
EMISIEI PERTURBATOARE SUB
FORMĂ DE NESIMETRIE
Pentru limitarea nesimetriilor determinate de consumatorii
dezechilibraţi sunt posibile, în principiu, două soluţii:
• reconfigurarea schemei de alimentare a receptoarelor
consumatorului pentru a asigura o simetrizare a sarcinii;
• utilizarea unor scheme speciale de simetrizare.
Schemele de simetrizare pot fi realizate în două moduri:
• cu transformatoare monofazate;
• cu elemente reactive suplimentare
5.1. SCHEME DE SIMETRIZARE CU
TRANSFORMATOARE MONOFAZATE
A
B
C
IB
M
IC
n
n
IA
n 3
C’
U
U1
I
U1
B’
U2
I
U
C’
C
Cq
Receptor
bifazat
A’
M
U2
B’
A
A’
B
Fig. 2. Schema de compensare cu transformatoare Scott
I A  (2 / 3 )  I ;
I B  (1  1 / 3)  I ;
I C  (1  1 / 3)  I .
A
B
C
IC
C
IB
IA
IA =IC
I
B’
U1
A
U2
U2
IB = 2IA
I
U
C’
Cq
U1
A’
Receptor
monofazat
IA = I ; IB =  2I ; IC = I .
B
U
Fig. 3. Schema de compensare
cu transformatoare conectate în V
5.2. Scheme de simetrizare cu
elemente reactive suplimentare
3230/400 V; 50 Hz
A B C IA
Cq 
IB
ICA
A
C
IAB
B
IC
L
Cq
IBC
Receptor
bifazat
C I
CA
P  tan 
  U N2
2
3 U N
L
;
P
C
P
2
3   U N
UA
UB
UC
YL
YS1
YL
YS2
YL
YS3
YN
B12
B23
BY3
BY2
B31
BY1
Fig. 5. Repartizarea elementelor de simetrizare în cazul alimentării
unui consumator trifazat dezechilibrat cu neutrul accesibil
Sarcină
Redresor trifazat
PWM
Filtru activ serie
Analiza regimului
dezechilibrat pentru reţeaua
de distribuţie de JT din figură
1
2
U10
U20
3
Post de
transformare
U30
N
Zl
Zl
Zl
Reţea de joasă
tensiune
Zn
1
U12
2
U31
U23
Tablou de
distribuţie
3
U1
U2
U3
N
1
2
3
N
N
N
Instalaţie
interioară
Receptoare
P1,  1
P 2,  2
P3,  3
parametri consumator
P1  15000
[W]
1  0.8
P2  5000
[W]
2  0.8
P3  35000
[W]
3  0.8
parametri linie
Zl  0.74  j0.066
[Ω]
Z n  0.74  j0.006
[Ω]
U10
U20
Zl
I1
Zl
I2
Post de
transformare
U2
Ri 
Pi
I3
U23
U1
Z2
U2
Z3
U3
Zn
In
Reţea de
joasă tensiune
[Ω]
U12
U31
Zl
U30
Z1
i  1,2,3
Receptoare
R1  3.527
[Ω]
R2  10.58
[Ω]
R3  1.511
[Ω]
reactanţa consumatorului
Xi 
U 2  i
Pi  1  
2
i
[Ω]
i  1,2,3
curenţii de linie
U 10  I 1  Z 1  Z l   I n  Z n

U 20  I 2  Z 2  Z l   I n  Z n

U 30  I 3  Z 3  Z l   I n  Z n
 I 1  I 2  I 3  I n  0
X 1  4.702
[Ω]
X 2  14.107
[Ω]
X 3  2.015
[Ω]
I 1  19.84  j 28.79
[A]
I1  34.96
[A]
I 2  14.03  j 2.523
[A]
I 2  14.25
[A]
I 3  8.38  j 68.187
I n  14.19  j36.87
[A]
I 3  68.7
[A]
[A]
I n  39.51
[A]
căderile de tensiune pe consumator
Ui  Ii Zi
U 1  205.35  j8.24
[V]
U1  205.52
[V]
U 2  112.85  j 224.61
[V]
U 2  251.37
[V]
U 3  124.74  j119.94
[V]
U 3  173.06
[V]
tensiunile de linie la consumator
U 12  318.2  j 216.38
[V]
U1  384.8
[V]
U 23  11.9  j344.56
[V]
U 2  344.76
[V]
U 31  330.1  j128.18
[V]
U31  354.11
[V]
componentele simetrice ale sistemului tensiunilor de alimentare
2
U

a

U

a
U 31

12
23
U 
3
[V]

U  295.57  j 206.92
2
U

a
 U 23  a  U 31

12
U 
3

U  22.63 j9.46
U 12  U 23  U 31
U 
3
0
[V]
[V]
U   360.8
[V]
[V]
[V]
U   24.52
U0 0
[V]
[V]
factorul de nesimetrie negativă

U
kU   100
U
[%]
kU  6.798
[%]
factorul de nesimetrie zero
0
U
kU0   100
U
[%]
kU0  0
[%]
factorul total de nesimetrie
kU  kU  kU0
[%]
kU  6.798
[%]
alte relaţii pentru determinarea factorului de nesimetrie negativă

U
k 
1 3  6  
1 3  6  
kU  6.798
[%]

U124  U 234  U 314
U
2
12
U U
2
23

2 2
31
factorul de nesimetrie de tensiune
relaţia directă
U
k ns 
 100
Un
[%]
k ns  6.157
[%]
altă relaţie pentru determinarea componentei de secvenţă negativă este

 U 232  U 312


2


3

U

4

U


U
12
23
12 
 U

12




U 
12
2
2
  2
2 2
  U 23  U 31 

   U
12



k ns  6.157
o relaţie aproximativă
U   0.62 U max U min
[V]
[V]
k ns  6.23
[%]
[%]
  1 .2
[%]
Pentru aceeaşi reţea, se va determina modul în care se modifică pierderile
de putere faţă de cazul în care reţeaua ar absorbi aceeaşi putere dar în
regim echilibrat
P1  15000
[W]
1  0.8
P1  18333
[W]
1  0.8
P2  5000
[W]
2  0.8
P2  18333
[W]
2  0.8
P3  35000
[W]
3  0.8
P3  18333
[W]
3  0.8
Stablou  68750
[kVA]
I1  34.96
[A]
I1  43.11
[A]
I 2  14.25
[A]
I 2  43.11
[A]
I 3  68.7
[A]
I 3  43.11
[A]
I n  39.51
[A]
In  0
[A]
Pierderile de putere în reţeaua de joasă tensiune
P1  904.6
[W]
P1  1375.5
[W]
P2  150.4
[W]
P2  1375.5
[W]
P3  3493
[W]
P3  1375.5
[W]
Pn  1155
[W]
Pn  0
[W]
Ptot _ dezechilibrat  5703 [W]
Ptot _ echilibrat  4126.5
[W]
Psuplimentar  Ptot _ dezechilibrat  Ptot _ echilibrat
  38.2
[%]
Psuplimentar  1576.5
[W]
Instalaţii de legare la
pământ
Capitolul 6 al Ghidului aplicativ elaborat în cadrul LPQI
abordează problematica legării la pământ în instalaţiile
electrice şi a compatibilităţii electromagnetice, cu referire
specială la instalaţiile de distribuţie ale clădirilor. In acest
sens, Fascicola 6.1. tratează aspectele de bază privind
principiile care stau la baza conceperii unei instalaţii de
legare la pământ într-o reţea de distribuţie a energiei
electrice iar Fascicola 6.3.1. prezintă bazele teoretice
pentru calculul şi proiectarea acesteia.
Se constată de la bun început că în prezent, legarea la
pământ a instalaţiilor şi echipamentelor reprezintă o
problemă interdisciplinară ce depăşeşte graniţele mai
multor domenii tehnice implicate în construcţia şi
echiparea clădirilor moderne, civile sau industriale.
In general, o instalaţie de legare la pământ trebuie să satisfacă
trei cerinţe legate de:
• Lovituri de trăsnet şi scurtcircuit: instalaţia de legare la
pământ trebuie să protejeze ocupanţii, să prevină evenimente
precum incendii, conturnări sau explozii provocate de loviturile
directe de trăsnet şi supraîncălziri provocate de curenţii de
scurtcircuit;
• Securitate: instalaţia de legare la pământ trebuie să conducă
trăsnetul şi curenţii de scurtcircuit fără a determina apariţia
unor valori inadmisibile ale tensiunilor de pas şi de atingere;
• Protecţia echipamentului şi disponibilitate: instalaţia de
legare la pământ trebuie să protejeze echipamentele
electronice prin asigurarea unei căi de impedanţă redusă care
să le interconecteze. Alegerea corectă a traseelor şi zonării
amplasamentelor şi ecranarea corespunzătoare sunt aspecte
importante în scopul evitării interferenţelor dintre sursele de
perturbaţii şi echipamentele electrice în funcţiune.
Scopul iniţial al legării la pământ de protecţie a fost de a asigura
securitatea persoanelor şi bunurilor în zona deservită de
instalaţia de legare la pământ. Aceasta necesită existenţa
unei căi de curent cu o capacitate mare de transport şi cu o
impedanţă relativ scăzută la frecvenţa fundamentală astfel
încât tensiunile apărute în regimuri de scurtcircuit sau alte
tipuri de defecte să nu fie periculoase.
Problemele apar în momentul în care la această instalaţie se
racordează diferite echipamente. In această situaţie, trebuie
să se asigure o legare funcţională la pământ a
echipamentelor care operează în sistem; ca urmare, instalaţia
de legare la pământ reprezintă o cale de trecere pentru
curenţii de dispersie (la frecvenţa fundamentală) şi curenţii de
perturbatori de înaltă frecvenţă provenind, spre exemplu, de
la sursele în comutaţie prin intermediul filtrelor de interferenţă
de radio-frecvenţă (RFI); pe de altă parte, ea trebuie să
reprezinte şi potenţialul de referinţă pentru interfeţele de
semnal.
Curenţii de înaltă frecvenţă pot deveni o problemă importantă dacă
interesează funcţionalitatea sistemului. Multe dintre echipamentele
care produc perturbaţii în instalaţia de legare la pământ sunt
sensibile la aceste perturbaţii; există însă o diferenţă: echipamentele
produc perturbaţii sub formă de curent dar sunt influenţate de
tensiuni parazite. Acolo unde curenţii de zgomot pot fi conduşi la
pământ fără a cauza căderi de tensiune importante, totul este în
regulă. Aceasta impune o legare la pământ care are o impedanţă
scăzută la toate frecvenţele. Pentru reducerea perturbaţiei radiate,
calea de legare la pământ pentru curentul perturbator trebuie să fie
amplasată foarte aproape de conductoarele active. Merită subliniat
că în acest context suntem mai preocupaţi de impedanţa conexiunii
la instalaţia de legare la pământ, care reprezintă suprafaţa
echipotenţială numită colocvial „masă”, decât de pământul fizic în
sine. Această abordare este diferită faţă de contextul protecţiei de
securitate şi contra trăsnetelor unde impedanţa de punere la pământ
are o importanţă crucială.
In cazul sistemelor de calcul, pe măsura dezvoltării dispozitivelor
microelectronice şi a reducerii tensiunii de lucru, energia necesară
comutării stărilor logice şi imunitatea la tensiuni parazite au scăzut,
făcând aceste dispozitive mult mai sensibile la perturbaţii. Efectele
acestei tendinţe au fost contrabalansate prin îmbunătăţiri în
proiectarea sistemului, cu scopul creşterii imunităţii la zgomote.
Aceste măsuri includ utilizarea interfeţelor diferenţiale şi o proiectare
îngrijită a părţii software, de exemplu utilizarea în reţele a
protocoalelor de detectare şi corectare a erorilor. Aceste tehnici sunt
foarte eficiente dar reduc traficul în reţea prin transmiterea unor date
redundante (controlul erorii) şi necesitatea retransmiterii pachetelor
de date conţinând erori. Pe măsură ce perturbaţiile electrice cresc,
rata erorilor creşte şi ea, şi traficul descreşte până când
comunicarea utilă încetează cu totul. Pentru utilizator, aceasta
echivalează cu o cădere bruscă a sistemului; în realitate, acesta a
fost doar afectat într-o măsură atât de mare încât mecanismele de
regenerare prevăzute în acest scop nu mai fac faţă. Dacă
perturbaţia electrică poate fi redusă la un nivel suficient de mic, rata
erorilor se va reduce şi ea şi transmisia datelor va fi din nou posibilă.
Niveluri ridicate ale zgomotelor reduc traficul prin necesitatea
transmiterii repetate a datelor şi reduc randamentul.
Sarcina de a funcţiona ca tensiune de referinţă astfel încât
echipamentele interconectate să poată funcţiona corespunzător
impune pentru conductorul de protecţie o impedanţă scăzută pentru
un spectru larg de frecvenţe. In acest caz, preocuparea este ca
întreaga instalaţie de legare la pământ, reprezentată prin
conductorul de protecţie, să funcţioneze ca o suprafaţă
echipotenţială; cu alte cuvinte, pentru întregul spectru de frecvenţe
şi pe întreaga suprafaţă a clădirii, diferenţa de potenţial dintre
oricare două puncte trebuie să fie zero. In termeni practici, aceasta
nu înseamnă ca diferenţa de potenţial să fie neapărat zero; ea
trebuie însă să fie suficient de mică pentru a nu cauza nici o
funcţionare necorespunzătoare a echipamentelor instalate. Multe
interfeţe de semnal utilizează niveluri de tensiune diferenţială
(interfeţele de reţea RS 485) şi sunt insensibile la diferenţe relativ
mari (câţiva volţi) ale tensiunii de referinţă. O serie de interfeţe mai
vechi, precum variantele RS232 utilizate în modemuri şi IEEE 1284
folosite la imprimante, funcţionează cu referinţă la masă şi sunt mai
sensibile.
In ceea ce priveşte protecţia împotriva trăsnetului, în scopul limitării
daunelor cauzate de o lovitură directă asupra unei structuri, trebuie
asigurată o cale de impedanţă scăzută între vârful structurii şi
pământ. La nivelul solului, instalaţia de paratrăsnet este racordată
direct la priza de pământ şi la restul instalaţiei de legare la pământ;
la fiecare nivel, dar la intervale de cel mult 20 metri, conductoarele
de coborâre vor fi conectate la instalaţia de legare la pământ a
clădirii. Scopul este de a asigura existenţa unei cuşti Faraday în
jurul clădirii constând din reţeaua externă a conductoarelor verticale
şi a conexiunilor orizontale la fiecare etaj, stabilind astfel o zonă
locală „echipotenţială” la fiecare nivel.
In ingineria electrotehnică clasică se utilizau instalaţii de legare la
pământ separate, de exemplu pentru transmisia semnalelor,
sistemele de calcul, instalaţiile de forţă, instalaţiile de paratrăsnet
etc. etc. In prezent, au fost acceptate noi puncte de vedere în
privinţa legării la pământ şi la masă şi a corelării acestora cu
protecţia echipamentelor. Conceptul existenţei unor instalaţii
separate de legare la pământ a fost abandonat iar acum standardele
internaţionale prescriu o instalaţie generală de legare la pămînt.
Conceptul legării unice la pământ înseamnă, în practică, realizarea
interconectării conductoarelor de legare la pămât de protecţie (PE),
a conductoarelor paralele pentru legarea la pământ, a panourilor
metalice, a armăturilor şi a ecranelor pentru cabluri de forţă sau
date. De asemenea, elementele metalice ale construcţiilor şi
conductele de apă sau gaz sunt părţi ale acestui sistem. In mod
ideal, toate cablurile care pătrund într-o zonă trebuie să intre printrun singur punct la care sunt conectate toate ecranele şi alte
conductoare de pământare.
In concluzie, satisfacerea tuturor condiţiilor impuse unei instalaţii de
legare la pământ presupune abordarea atentă a diferitelor aspecte
legate de securitatea personalului şi funcţionalitatea echipamentelor
existente; din punct de vedere constructiv, trebuie realizată o priză
de pământ complexă iar conductoarele de legătură şi ramificaţie să
satisfacă condiţiile de material şi amplasare specificate. Este
important de subliniat că, de obicei, este mai bine şi mai ieftin ca
instalaţia să fie proiectată corect de la început, luând în considerare
durata de viaţă a clădirii şi, pe cât posibil, potenţialele utilizări
viitoare; refacerea acesteia după ce clădirea a fost ocupată
reprezintă întotdeauna un exerciţiu costisitor.
In Fascicola 6.3.1. se definesc principalele mărimi care intervin în
studiul şi proiectarea unei instalaţii de legare la pământ, insistânduse asupra proprietăţilor electrice ale solului, a distribuţiei
potenţialelor la suprafaţa solului şi a tensiunilor de atingere şi de
pas. Analiza este realizată din perspectiva securităţii persoanelor în
zona prizei de pământ, prezentându-se o analiză comparativă a
comportării prizelor verticale, respectiv orizontale; se subliniază că
prizele verticale au o distribuţie mai nefavorabilă a potenţialului la
suprafaţa solului în timp ce prizele orizontale multiple asigură o
distribuţie mult mai plată.