Alimentarea cu Energie Electrica a Unui Consumator Industrial
Alimentarea cu energie electrică a unui consumator industrial
INTRODUCERE
SCOPUL PROIECTULUI. Prin prezentul proiect se urmărește alimentarea cu energie electrică a unui consumator industrial din intustria metalurgică, cu puterea aparentă instalată în condițiile asigurării unui grad înalt de siguranță în alimentarea cu energie electrică. În principiu proiectul, pe baza instalațiilor energetice existente în zonă și în baza informațiilor privind evoluția viitoare a consumatorului, are ca scop rezolvarea următoarelor probleme:
• Stabilirea tensiunii nominale de alimentare cu energie eletrică a consumatorului;
• Schema de alimentare cea mai avantajoasă din punct de vedere tehnic și economic;
• Secțiunea optimă a conductoarelor liniilor electrice prin care se va realiza alimentarea consumatorului;
• Alegerea și amplasamentul optim al echipamentelor și aparatelor necesare;
• Stabilirea soluției tehnice, ce realizează cel mai înalt grad de siguranță în alimentarea cu energie electrică a consumatorului. Pentru alimentarea cu energie electrică a unui consumator trebuie îndeplinite următoarele condiții:
• Asigurarea continuitații în alimentarea cu energie electrică a consumatorului; realizarea unei căi de alimentare suplimentare, de rezervă, la cererea consumatorului, asigură îmbunătățirea indicatorilor de continuitate (siguranță) a alimentării de bază;
• Asigurarea calității energiei electrice — constă în respectarea parametrilor de calitate pentru mărimile electrice în punctul de racordare a consumatorului
• Economicitate în construcția și funcționarea instalațiilor electrice;
• Impact minim asupra mediului înconjurator.
Siguranța în funcționare, reprezintă ansamblul măsurilor ce se adoptă atât în proiectarea cât și în exploatarea instalațiilor electrice astfel încât acestea să suporte solicitările ce apar în funcționarea lor (supratensiuni, scurtcircuite etc.). Respectarea acestei cerinte impune realizarea indicatorilor de fiabilitate: numărul mediu, respectiv maxim de întreruperi și durata medie, respectiv maximă a unei întreruperi.
Realizarea inclicatorilor de fiabilitate presupune asigurarea următoarelor măsuri:
➢ Stabilirea numărului căilor și surselor de alimentare cu energie electrică, a schemei de încadrare în sistem și a schemei de conexiuni a stației de transformare; calea de alimentare suplimentară se poate realiza din aceeași sursă cu alimentarea de bază sau dintr-o sursă, diferită sau cu rezervare parțială sau totală a sarcinii maxime de calcul;
➢ Alegerea unor aparate și echipamente performante, cu un nivel de fiabilitate ridicat.
Calitatea energiei electrice presupune, atât pentru furnizor cât și pentru consumator, încadrarea indicatorilor (frecvență, amplitudinea tensiunii, golurile de tensiune, supratensiunile temporare și tranzistorii — pentru furnizor și armonici, interarmonici, fluctuații de tensiune, nesimetrii — pentru consumator) în limitele admisibile.
Economicitatea în construcția și funcționarea instalațiilor electrice presupune aplicarea unor criterii tenico-economice în proiectarea și exploatarea acestora, astfel încât să se obțină o eficiență maximă în raportul venituri-cheltuieli. Aceasta înseamnă în acest caz alegerea soluțiilor sau variantelor optime de alimentare cu energie electrică a consumatorului pe baza unor calcule comparative, astfel încât cheltuielile de investiții și cheltuielile de exploatare-mentenanță, inclusiv cele datorate pierderilor de putere și energie electrică să fie minime.
Impactul asupra mediului înconjurător trebuie să fie minim și acest deziderat se poate realiza numai dacă se elimina următoarele timpuri de impact asupra mediului:
➢ Poluarea chimică;
➢ Deteriorarea vegetației pentru construcția LEA și întreținerea culoarelor create;
➢ Deteriorarea habitaturilor faunei sălbatice;
➢ Ocuparea terenurilor agricole;
➢ Efectele câmpului electromagnetic ce pot apare la amplasarea instalațiilor de înaltă tensiune în zonele populate.
Caracteristicile energetice ale consumatorului
Consumatorul este situat în zona meteorologică B, la o altitudine de cca. 280 m, căreia îi corespund următoarele condiții climato-meteorologice de care trebuie să se țină seama la dimensionarea liniei electrice de alimentare cu energie electrică a consumatorului:
• Presiunea dinamica de bază: – pentru vânt maxim nesimultan cu chiciură; – pentru vânt simultan cu chiciură,
• grosimea stratului de chiciură pe conductoarele de 110 kV: 24mm;
• altitudine: <800 m.
De asemenea, pentru această zonă sunt caracteristice următoarele temperaturi ale aerului:
• temperatura maximă: +40 OC
• temperatura minim: -30 OC;
• temperatura medie: +15 OC;
• temperatura de formare a chiciurii: -5 OC;
Se poate considera că umiditatea relativa a aerului în mediul exterior, în zona în care este amplasat consumatorul, este de 100%.
La alegerea aparatajului de comutație primară și a dispozitivelor de legare la pământ se va avea în vedere ca umiditatea reală să nu fie mai mare decât cea admisă de întreprinderea constructoare.
În ceea ce privește gradul de poluare a zonei respective, conform [11], se consideră că aceasta se situează la nivelul II (mediu) de poluare, adică este o zonă cu industrie care nu produce fum foarte poluant și în care există o densitate medie de locuințe dotate cu instalații de încălzire.
Zona în care se află amplasat consumatorul nu prezintă vecinătăți ce pot contribui la o poluare a atmosferei peste limitele normale , deci nu sunt necesare măsuri speciale de exploatare și întreținere.
Instalații electrice existente în zona de consum. Posibilități de racordare a consumatorului
Proiectul de față trateaza problema alimentării cu energie electrică a consumatorului prin intermediul instalațiilor electrice existente în zonă.
De regulă, ca și în acest caz, marii consumatori industriali, concentrați în zone industriale amplasate la periferiile localităților urbane, sunt alimentați din rețele separate pentru a nu influența în mod direct soluțiile de distribuție urbană.
În zonă exista două stații electrice de transformare 110\20 kV aparținând sistemului de repartiție, aflate la distanțele de 7 km, respectiv 12 km față de zona în care este amplasat consumatorul. LEA 110 kV d.c. între statiile A și B, echipată cu conductoare A1.O1.185/32 se află la distanța de 3 km față de consumator.
Din schemele instalației SEE din zona de amplasare a consumatorului (fig.1.1) se poate constata că soluția cea mai avantajoasă din punct de vedere al distanței este alimentarea lui din stația A, întrucât aceasta este situată la distanța cea mai mică față de consumator, adică 7 km.
Fig. 1.1. — Schema instalațiilor SEE din zona de amplasare a consumatorului
CAP. 1. STABILIREA VARIANTELOR DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ A CONSUMATORULUI
Determinarea mărimilor electrice de calcul ale consumatorului
Sarcina electrică a unui consumator reprezintă puterea activă și reactivă solicitate de acesta. Mărimile energetice ce privesc sarcina electrică a consumatorului analizat sunt:
• Puterea activă maximă:
• Puterea reactiva maximă:
• Curentul maxim de sarcină:
1.2. Stabilirea variantelor de alimentare cu energie electrică a consumatorului și a schemelor de încadrare în sistem
Stabilirea variantelor de alimentare cu energie electrică a consumatorului se realizează ținând cont de următoarele aspecte:
➢ Situația energetică existentă în zona respectivă și perspectiva de dezvoltare pentru următorii 5 – 10 ani;
➢ Importanța consumatorului, caracterizată prin clasa acestuia;
➢ Siguranța în alimentare ce va trebui să asigure pentru consumator o alimentare de bază corespunzătoare puterii maxime absorbite și o alimentare de rezervă, conform nivelului de rezervare, aleasă prntr-o analiză tehnico-economică;
➢ Concepția unitară și elasticitatea în exploatare a schemei.
Consumatorii industriali folosesc energia electrică, în principal, pentru desfășurarea unor procese tehnologice, în acest caz procesul tehnologic constă in producerea de oțeluri.
O importanță decisivă în alegerea structurii de alimentare a acestui consumator o are comportarea procesului tehnologic la discontinuitatea alimentării cu energie electrică; aceasta se poate materializa printr-o gamă largă de efecte, plecând de la tulburări calitative și cantitative neesențiale și putând ajunge la până la distrugerea de utilaje, efecte ecologice devastatoare sau periclitarea vieții diferitelor persoane implicate.
Deși reglementările actuale nu mai prevăd clasificarea receptoarelor electrice în funcție de natura efectelor produse de intreruperile în alimentare, conform [26], receptoarele acestui consumator se pot încadra în categoria I, la care întreruperea alimentării poate duce la dereglarea procesului tehnologic în flux continuu, necesitând perioade lungi pentru reluarea activității la parametrii cantitativi si calitativi existenți în momentul întreruperii, sau la rebuturi importante de materii prime, materiale auxiliare, semifabricate etc., pierderi materiale însemnate prin nerealizarea producției planificate și imposibilitatea recuperării acesteia. În această categorie se încadrează: podurile rulante în cuptoarele de topit metale etc.
Consumatorii de energie electrică, conform [12], se pot clasifica, după sarcina maximă de durată absorbită în punctele de primire, conform tabelului 1.1.
Deci consumatorul industrial analizat se incadrează în clasa C de importanță, alimentarea sa cu energie electrică realizându-se direct din rețeaua de distribuție la 110 kV.
Ținând cont de cele prezentate mai sus se stabilesc două variante de alimentare cu energie electrică a consumatorului, în funcție de instalațiile existente în apropierea zonei de amplasament a instalațiilor sale și anume:
Varianta A
Aceasta variantă constă în alimentarea consumatorului prin intermediul unei stații de transformare ST 110/20 kV amplasată în imediata vecinătate a instalațiilor sale, stație racordată la stația A prin doua LEA 110 kV.
Schema electrică pentru varianta A este prezentată în fig. 1.2
Varianta B
În aceasta variantă alimentarea secției C 110 kV a consumatorului se va realiza în sistem „intrare-ieșire" prin două LEA 110 kV separate: una din stația de transformare A și una din stația de transformare B.
Schema electrică pentru varianta B este prezentată în figura 1.3
CAP.2. DIMENSIONAREA CĂILOR DE CURENT ȘI ALEGEREA TRANSFORMATOARELOR DE PUTERE
Calculul electric al LEA trebuie să permită dimensionarea lor astfel încât sarcina vehiculată să nu conducă la încălzirea conductoarelor peste limitele admisibile sau la pierderi de putere și energie mai mari decât cele prevăzute de normele în vigoare.
La stabilirea dimensiunilor căilor de curent se are în vedere un regim de funcționare de lungă durată, de ordinul anilor, durată determinată pe baza prognozei consumului de energie electrică.
La dimensionarea LEA trebuie sa se cunoască:
• Sarcina maximă:,Sma), sau Imax,
• Factorul de putere natural (fără compensarea puterii reactive);
• Timpul de utilizare al puterii maxime: Tmax;
• Dezvoltarea în perspectivă a consumului de 5 — 10 ani.
La dimensionarea liniilor electrice se ține cont de următoarele condiții tehnice de funcționare impuse de normele de fabricație ale conductoarelor, precum și de prescripțiile energetice ale furnizorului. Ele sunt:
• Încălzirea de durată a conductoarelor in regim normal de funcționare; punând condiția se obține secțiunea tehnică ce presupune încălzirea la o limită admisă când se vehiculează sarcina maximă ,
• Funcționarea economică a LEA ce presupune pierderi minime de putere si energie; secțiunea economică ( ) este impusă de funcționarea liniilor electrice cu pierderi minime și realizarea parametrilor nominali de calitate a energiei electrice.
Se adoptă secțiunea maximă dintre și .
În cazul LEA se va ține seama, la alegerea secțiunii conductoarelor, și, de condițiile mecanice de realizare a liniilor și de tracțiunea ce trebuie realizată în conductor. Dacă secțiunea ce rezultă din calcule nu se găsește în cataloage, se alege secțiunea imediat superioara pe treapta dimensionată de secțiuni, astfel încât să fie respectată condiția: Imax< Iadm (2.1)
În cazul de față, la o putere activă instalată de 2,871MW și un cos =0,87 rezultă o putere aparentă maximă ce trebuie vehiculată S =3,3MVA. Curentul maxim pe linie are valoarea: =17A
În funție de tipul materialului (Al.OL.) și de timpul de utilizare a sarcinii maxime T =6800h/an, se alege, conform [22], o densitate economica de current j =0,55A/mm , unde reprezintă densitatea economică de curent, definită ca fiind raportul :
În baza celor arătate mai sus, se calculează secțiunea conductoarelor LEA 110kV:
În cataloagele producătorilor neexistând secțiunea de 30,9 mm , se poate alege un conductor de AL.O1. cu secțiunea s=35/6 mm , însă, având în vedere perspectiva racordării și altor consumatori din această LEA cât și condițiile ce trebuie îndeplinite din punct de vedere mecanic pentru construcția LEA 110 kV dublu circuit, se aleg conductoare cu secțiunea 150/25 mm , având următoarele caracteristici:
• Rezistența specifică:
• Reactanța specifică:
• Susceptanța specifică:
Parametrii electrici pentru LEA 110kV se determină cu relațiile:
• Rezistența liniei:
• Reactanța liniei:
• Aportul capacitive al liniei:
Caracteristicile tehnice ale conductoarelor funie A1.01. 150/25mm sunt prezentate în tabelul 2.1.
2.1 Verificarea secțiunii conductoarelor din punct de vedere al căderilor de tensiune
Pentru asigurarea unei funcționări corespunzătoare a receptoarelor de energie electrică aflate în dotarea consumatorilor se impune respectarea parametrilor de calitate a energiei electrice. Aceasta înseamnă menținerea continuității în funcționare, a frecvenței, amplitudinii și tensiunii de alimentare în jurul valorilor normale Și forma undei de tensiune.
În condițiile menținerii frecvenței constante, a continuității în funcționare, a formei undei de tensiune, una din condițiile restrictive în funcționarea rețelelor este abaterea amplitudinii tensiunilor fața de o tensiune de referință, denumita tensiune nominală. Interesează variația tensiunii într-un punct în jurul tensiunii nominale, precum și scăderea de tensiune pe linie.
Normele și regulamentele în vigoare dau benzile de variație sau abaterile admisibile ale tensiunii într-un nod al rețelei. Aceste abateri nu trebuiesc depășite în exploatare deoarece în acest caz s-ar înrautăți funcționarea consumatorilor. Abaterile admisibile se dau în funcție de tensiunea nominală a rețelei, de tipul rețelei și de importanța consumatorului alimentat.
Pentru LEA 110kV, conform [22], abaterea de tensiune este de +10%.
Caderea de tensiune se determină cu relația:
În care:
DU – căderea totală de tensiune pe linie [kV];
AU – căderea longitudinală de tensiune [kV];
SU – căderea transversală de tensiune.
Relația de calcul a căderilor de tensiune longitudinale se determină cu relația:
Căderea de tensiune transversală se determină cu relația:
Pentru cazul în care consumatorul va fi alimentat din stația A aflată la distanța de 7 km:
P – puterea activă maximă transportata pe linie;
Q – puterea reactivă maximă transportată pe linie
Căderea totală de tensiune acest caz este:
În modul:
Căderea de tensiune procentuală se calculează cu relația:
Tensiunea pe bara de 110 kV a stației va fi:
Căderea de tensiune se încadrează în limitele admise de ±10%, deci secțiunea conductorului este dimensionată corect.
Pentru cazul în care consumatorul ar fi alimentat din stația B aflată la distanța de 12 km:
2.2 Alegera transformatoarelor
Numărul necesar de transformatoare cu care se echipează o stație de transformare se stabilește în general în funcție de nivelul de siguranță (continuitate) în alimentarea cu energie electrică, cerut de consumator.
Stațiile de transformare care alimentează consumatori industriali se echipează, de regulă, cu două transformatoare. Se poate prevede un singur transformator pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali în următoarele situații:
■ Valoarea daunelor provocate de întreruperea alimentării cu energie electrică sunt mici și nu se justifică din punct de vedere economic instalarea a două transformatoare;
■ Atunci când se poate asigura rezervarea de 100% din rețeaua de medie tensiune racordată la barele stației de transformare.
Având în vedere faptul că pentru situația de față nu există o rezervare din rețeaua de medie tensiune, stația de transformare se va echipa cu două transformatoare identice care să asigure rezervarea de 100%.
Caracteristicile tehnice ale transformatoarelor depind de calitatea materialelor utilizate în fabricarea lor, atat din punct de vedere electric cât și din punct de vedere termic și al izolației. Aceste caracteristici sunt stabilite de fabricant și însoțesc transformatorul prin cartea tehnică, buletinul de fabricație și plăcuța cu aceste date ce se găsește montată pe orice transformator. Pentru alegerea puterii nominale a transformatorului este necesar să se cunoască:
■ Sarcina maximă de durată (de regulă puterea aparentă) ce urmează a fi vehiculată și durata de utilizare anuală a acesteia;
■ Evoluția viitoare a sarcinii maxime; aceasta se ia în considerare pe 5+10 ani, fie ca o rată medie anuală de creștere, fie ca o creștere (salt) în cadrul perioadei de calcul, rezultînd puterea maximă vehiculată ;
■ Numărul de transformatoare ce urmează a se monta și daunele provocate de întreruperea în alimentarea cu energie electrică a consumatorului.
Alegerea puterii nominale a transformatoarelor se realizează în două etape:
■ Se stabilește puterea nominală tehnică ( ) a transformatorului.
■ Se stabilește puterea nominală economică ( ) a transformatorului.
Se adoptă ca putere nominală aparentă a transformatorului ( ) cea mai mare valoare ce rezultă între puterea nominală tehnică și puterea nominală economică:
Știind că sarcina maximă absorbită de consumator este S =3,3MVA, din punct de vedere tehnic putem alege un transformator cu S =-4MVA.
Din punct de vedere economic se are in vedere ca în funcționare S să reprezinte maxim 70% din puterea nominală a transformatolului (funcționarea optimă a transformatoarelor se realizează pentru o sarcină cuprinsă între 45% si 70% din puterea aparentă nominală a acestora), deci:
Se poate alege o putere aparentă economică: și se adoptă:
Caracteristicile tehnice ale transformatoului sunt prezentate in tabelul 3.2
Semnificația literelor este următoarea:
T – transformator;
T – trifazat;
U – ulei (mediul izolant);
S – reglajul tensiunii în sarcină;
N – circulația naturală a uleiului de răcire;
S – cu răcirea aerului prin suflaj de aer;
– pierdrile de putere activă la funcționarea în gol;
– pierderile de putere activă la funcționarea în scurtcircuit;
– curentul de mers în gol, exprimat în procente față de curentul nominal;
U – tensiunea procentuală de scurtcircuit, determinată la proba de scurtcircuit a transformatorului.
2.3. Stabilirea regimului economic de funcționare a transformatoarelor de putere
Datorită variațiilor de sarcină, pe perioada unei zile, în stațiile de transformare se poate funcționa cu unul sau mai multe transformatoare în sarcină. Alegerea numarului de transformatoare ce funcționează în sarcină trebuie realizată atât din punct de vedere al siguranței în alimentarea cu energie electrică, a consumatorului cît și din punct de vedere economic, pentru realizarea unor pierderi de putere și energie electrică, activă în special, minime.
Pentru o stație de transformare echipată cu minim două transformatoare, pentru alegerea regimului optim de funcționare din punct de vedere al pierderilor de putere, este necesar să se determine, funcție de consum, numărul de transformatoare ce trebuie menținut in funcțiune, deci trebuie determinată sarcina pentru care pierderile de putere activă sunt mai mici sau cel mult egale între ele, atît în cazul în care se funcționează in sarcină cu "n" transformatoare, cât și în cazul în care se funcționează cu "n+1" transformatoare.
Regimul optim de funcționare pe stație a transformatoarelor se realizează pentru puterea aparentă limitată, calculată pentru un transformator în funcțiune:
n – numărul transformatoarelor ce trebuie menținut în funcțiune, n=1;
k – coeficient ce reprezintă aportul componentei reactive corespunzătoare pierderilor la curentul total de sarcină ce se vehiculează prin transformator; k=0,03…0,1 – pentru transformatoarele din stațiile de transformare;
– pierderile de putere reactivă în fierul transformatorului [kVAr];
– pierderile de putere reactivă în înfașurările transformatorului datorită reactanței acestuia [kVAr]
Pentru respectarea regimului de funcționare optim pentru stațiile de transformare echipate cu minim două transformatoare se recomandă ca, în cazul funcționării la sarcina maximă, să nu se depășească puterea aparentă limitată Până la valoarea de 3,9 MVA este economic, din punct de vedere al pierderilor de putere, să se funcționeze cu "n" transformatoare în sarcină, iar peste valoarea de 3,9 MVA este economic să se funcționeze cu ambele transformatoare în sarcină, având în vedere că a ceasta sunt identice.
Figura 2.1. Reprezentarea grafică a dependenț, PT=f(S)7,
În figura 2.1 s-a reprezentat grafic , pentru situațiile în care, pentru vehicularea puterii S, se funcționeaza cu un transformator, respectiv două transformatoare.
Din graficul de variație se constată următoarele:
➢ Pentru S=S’<3,9 pierderile de putere activă sunt mai mici la funcționarea cu un singur transformator:
➢ Pentru S=3,9 MVA pierderile de putere activă sunt egale pentru orice regim de funcționare s-ar alege (T sau T +T în funcțiune); ;
➢ Pentru S=S">3,9 MVA, pierderile de putere activă la funcționarea cu T sunt mai mari decât la funcționarea cu T +T în sarcină:
În exploatare, pentru transformatoarele cu două infășurări, se calculează S și se compară cu sarcina pe stația de transformare la un moment dat; se stabilește numărul de transformatoare în funcțiune și în sarcină pentru realizarea regimului economic de funcționare din punct de vedere al pierderilor de putere. Acest regim poate fi modificat permanent în stațiile de transformare unde există personal de exploatare în tură continuă sau există posibilitatea acționării întreruptoarelor de la un punct central de dispecer, prin instalații de telecomandă.
Datorită faptului că se va proceda la funcționarea cu ambele transformatoare in sarcină, pentru ca pierderile de putere să fie minime.
CAP.3. CALCULUL PIERDERILOR DE PUTERE ȘI ENERGIE ELECTRICĂ
3.1 Generalități
Statistic, energia electrică consumată pentru activitatea industrială, transport si distribuție, este consemnată ca o pierdere de putere, respectiv de energie când, de fapt, ea reprezintă un consum propriu tehnologic aferent respectivei activități industriale si numai oarecare măsură consumuri tehnic nejustificate – pierderi.
În literatura de specialitate se menționează necesitatea acestui mod de abordare, deoarece aceea ce reprezintă consum propriu tehnologic trebuie optimizat din punct de vedere tehnico-economic, iar pierderile trebuie eliminate.
În figurile 3.1 și 3.2 sunt arătate două moduri de reprezentare a unei balanțe energetice pentru un sistem energetic deyvoltat, din care rezultă cota energiei pierdute în raport cu totalul resurselor energetice, al resurselor utilizate în centrale, precum și al energiei electrice produse în centrală.
Fig. 3.1. Balanța energetică a unui sistem energetic dezvoltat
Fig. 3.2 Balanța energetică a unui sistem energetic dezvoltat
Nivelul pierderilor de energie în rețele oscilează între 10% și 15% din energia produsă în centralele electrice, în funcție de structura rețelei, de condițiile de exploatare, etc.
În procesul de livrare a energiei electrice la consumatori, pierderile apar în etapele de generare, transport și distribuție, după cum rezultă din figura 3.3
Fig. 3.3 — Pierderile în procesul de livrare a energiei electrice la consumatori
Pierderile în rețele au o mare influență asupra indicilor tehnico-economici ai rețelelor, ele reflectându-se în prețul transportului energiei electrice în proporție de 30-40%. Raportate statistic, pierderile în rețelele electrice reprezintă diferența dintre energia emisă în rețele de către centralele electrice sau importată și energia electrică vândută consumatorilor, inclusiv cea exportată. Ele cuprind trei elemente:
• Consumul propriu tehnologic aferent procesului de transport și distribuție a energiei electrice;
• Pierderi tehnice prin abateri de la regimul de funcționare proiectat, fie prin dezvoltarea incompletă a instalației, fi printr-o funncționare necorespunzătoare;
• Pierderi comerciale (pozitive sau negative), rezultate din erorile introduse de calitatea grupurilor de măsură și organizarea evidenței energiei electrice, dar cuprinzând și unele consumuri nemăsurate, ca cele ale transformatoarelor de măsură, contoare, precum și furturi de energie electrică.
Cauzele principale ale acestor pierderi de putere și energie n rețelele electrice se considera a fi:
➢ Efectul Joule, la trecerea curentului electric prin conductoarele liniilor, infășurările transformatoarelor și mașinilor electrice, etc.;
➢ Efectul curenților Foucault în miezul magnetic al transformatoarelor și mașinilor electrice;
➢ Pierderi prin izolație sau efect corona (caracteristice liniilor de înaltă tensiune).
Este de menționat faptul ca aceste pierderi, considerate consumatori proprii tehnologice, pot fi reduse în condiții tehnico-economice avantajoase numai până la anumite limite, ținând seama că majoritatea modernizărilor instalațiilor electrice au fost proiectate și realizate în ultimii 10 ani.
În procesele tehnologice de utilizare a energiei electrice se întălnesc însă și următoarele categorii de pierderi ce pot fi de regulă diminuate substanțial prin măsuri tehnico-organizatorice, avantajoase din punct de vedere economic:
• Pierderi datorate imperfecțiunilor constructive sau exploatării necorespunzătoare a unor utilaje (randamente scăzute ale transformatoarelor, contacte imperfecte);
• Pierderi datorate abaterilor de la regimul optim al proceselor tehnologice;
• Pierderi ca urmare a circulației inoportune de putere reactivă;
• Pierderi prin subdimensionarea sau supradimensionarea unor instalații și receptoare;
• Pierderi prin funcționarea în gol a utilajelor;
• Pierderi suplimentare datorate funcționării receptoarelor în regim deformant.
Cunoașterea nivelului pierderilor de energie electrică pe diversele trepte ale unei rețele, în diferitele ei elemente (linii, transformatoare), este necesară atât în faza de proiectare cât și în exploatarea și dezvoltarea ulterioara pentru stabilirea regimurilor de funcționare și pentru dimensionarea rețelei. Calculul pierderilor permite stabilirea prețului privind transportul energiei electrice, aprecierea eficienței măsurilor pentru reducerea pierderilor, trecerea la altă tensiune, utilizarea de noi circuite, alegerea puterii și a locului de amplasare a instalațiilor de compensare a puterii reactive, etc.
Este foarte important ca în proiectarea și în exploatarea rețelelor electrice, în urmărirea nivelului pierderilor, să se acorde în egală măsură atenție problemei bilanțurilor, abordării corecte din punct de vedere tehnic a acestei probleme.
Introducerea tehnicii de calcul face posibilă utilizarea unor metode, modele și programe de investigare, care permit stabilirea regimurilor optime de funcționare și exploatare, a nuvelului corespunzător al consumului propriu tehnologic încă din faza de proiectare, depistarea pierderilor în rețele, stabilirea eficienței măsurilor de
3.2 Pierderile de putere și energie
În general, în rețelele electrice pierderile de energie sunt cauza exclusivă a încălzirii conductoarelor la trecerea curentului electric. La tensiunea de 110 KV se mai adaugă și pierderile datorate scurgerilor de curent prin izolație și prin efect corona. Acestea din urmă au însă valori reduse și pot fi neglijate incă din faza de proiectare.
Pierderile de putere în parametrii longitudinali ai liniilor electrice, conform [23] , au loc ca urmare a circulației curentului electric prin conductoare și încălzirea acestora prin efectul Joule-Lenz. Aceste pierderi de putere sunt pierderi de putere activă, care au loc în rezistența liniilor electrice și de putere reactivă, care au loc în reactanța liniilor electrice.
Pierderile de putere activă se pot calcula utilizând relația:
Nu se iau în considerare pierderile de putere activă în conductanța LEA și aportul capacitive al LEA 110 kV.
Pierderile de energie activă, se calculează pentru un interval de timp t corespunzător unei perioade calendaristice (zi, lună, an). in general ne interesează pierderile de energie electrică activă cunoscute și sub denumirea de consum propriu tehnologic (c.p.t.). Pentru calculul acestora se folosește relația:
Unde – reprezintă durata pierderilor maxime, un timp convențional ce reprezintă numărul de ore în care dacă s-ar funcționa la P s-ar înregistra aceleași pierderi de energie electrică activă ca și în cazul în care s-ar funcționa după curba de sarcină reală.
Determinarea timpului de pierderi se poate realiza grafic in funcție de timpul de utilizare al puterii maxime T și factorul de putere cos .in acest caz, pentru T =6800 ore și cos conform [22], rezultă =5200 ore.
În transformatoare pierderile de putere activă au loc atât in circuitul magnetic, prin curenti turbionari și prin histerezis, cât și în circuitele electrice prin efect Joule, la parcurgerea conductoarelor infășurărilor de către curentul de sarcină.
Pierderile de putere activă în circuitul magnetic reprezintă pierderile de mers în gol ale transformatorului, ele fiind determinate de fluxul de magnetizare produs de infășurarea primară la puterea transformatorului sub tensiune.
Pierderile de putere activă totale, pentru o putere aparentă S vehiculată prin transformator, se pot calcula cu relatia:
Pierderile de energie electric activă în transformatoare într-un interval de timp t de funcționare, având în vedere funcționarea celor două transformatoare în paralel, se calculează cu relația:
T – tipul de funcționare a transformatorului, (ore);
– timpul pierderilor maxime, (ore);
S – puterea aparentă maximă de sarcină [kVA, MVAI
S – puterea nominală a transformatorului, [kVA, MVAI;
– pierderile de putere activă în miezul magnetic al transformatoului;
– pierderile de putere activă în infășurarile transformatoului;
– Pierdrile de putere reactivă ce apar în fierul transformatorului;
– putere reactivă. în 'infășurările transformatorului.
3.3 Calculul pierderilor de putere și energie electrică activă in LEA 110 kV
Pierderile de putere și energie activă în LEA 110 kV, pentru cele două variante, se calculează, folosind relațiile (3.1) și (3.2):
Varianta A
Varianta B
Pentru ambele variante se consideră că alimentarea de bază a consumatorului se va realiza din statia A.
3.4 Calculul pierderilor de putere și energie electrică activă în transformatoare
Pentru transformatoare, utilizând relațiile (3.3) și (3.4), pierderile de putere și energie electrică activă au următoarele valori pentru amblele variante:
Rezultatele obținute sunt prezentate în tabelul 3.1
CAP. 4. ALEGEREA VARIANTEI DE ALIMENTARE CU ENERGIE ELECTRICĂ PE BAZA CRITERIILOR TEHNICO-ECONOMICE
Criteriul adoptat în prezent în ramura energiei electrice și care permite compararea unor soluții ce cuprind elemente eterogene cu implicații diferite asupra SEN sau asupra consumatorului analizat, este cel al costurilor minime pe o durată determinată, calculate prin metoda C.T.A.
Metoda constă în simularea activității tehnico – economice probabile pentru diferite soluții posibile, rațional, de adoptat. Soluția cea mai bună se onsideră cea care prezintă cheltuielile totale minime în pierioada considerată.
Funcția obiectiv este în acest caz o funcție de costuri care se raportează la același moment de referință (actualizare) și care se calculează pentru fiecare soluție în parte. Pentru a fi comparabile, soluțiile analizate trebuie să asigure efecte identice la consumatori și în sistem.
În cazul în care soluțiile diferă în ceea ce privește durata de viață, capacitatea de producție sau transport și cantitatea de energie necesară înainte de efectuarea calculelor propriu-zise, se procedează la operația de echivalare. Pentru aceasta, soluțiile care prezintă condiții mai defavorabile de alimentare a consumatorilor se penalizează cu costurile necesare aducerii acestora la nivelul variantei cu parametrii tehnici cei mai avantajoși.
Criteriul C.T.A permite considerarea tuturor restricțiilor dorite prin adoptarea unui sistem normat și corelat de indicatori (rata de actualizare, costul terenurilor agricole, etc) favorizând soluțiile care răspund următoarelor cerințe de mare actualitate în ramura energetică:
• Utilizarea optimă a resurselor energetice secundare;
• Reducerea rezervelor inactive în instalații;
• Stabilirea momentelor optime de eșalonare a lucrarilor energetice;
• Scurtarea duratelor de execuție;
• Amlasarea obiectivelor energetice astfel încât să se evite ocuparea terenurilor agricole, dezafectarea unor constructii existente sau lucrări costisitoare de menajarea teritoriului.
Dacă două sau mai multe soluții tehnice, comparate după acest criteriu prezintă diferențe mici intre C.T.A (sub 2%) opțiunea pentru o anumita soluție se face în urma unei analize a unor criterii suplimentare (durata de recuperare a investiției, energia înglobată, durata de execuție).
Întrucât acest criteriu, conform [10], operează cu valori bănești, iar acestea se manifestă în timp, compararea cheltuielilor totale trebuie făcută la aceeași dată. in acest sens se va ține seama de următorii factori:
➢ Rata de actualizare, a, care presupune ca o unitate cheltuită la sfârșitul unui an este echivalentă cu (1+a) unități cheltuite la începutul acelui an; având în vedere numărul anilor de realizare a unei investiții, n, o unitate cheltuită în anul "n" este echivalentă cu (1+a) unități cheltuite în anul 1;
➢ Rata inflației, reprezintă un procent mediu anual de creștere a prețurilor; notând cu "r" această rată, o valoare egală cu unitatea în prezent, va avea următoarele valori după un an, respectiv "n" ani: (1+r) , respectiv (1+r) .
4.1. Determinarea cheltuielilor de investiții
Investițiile reprezintă valoarea totală a fondurilor destinate realizării obiectivelor necesare alimentării cu energie electrică a consumatorului: linii electrice, stație de transformare.
După stabilirea soluțiilor tehnice posibile de alimentare cu energie electrică a consumatorului, soluția optimă se alege în baza unui calcul economic ce se aplică fiecărei variante; se alege ca soluție de alimentare varianta cu cheltuielile totale actualizate (C.T.A.) minime.
Pentru evaluarea cheltuielilor de investiții directe se folosesc indicatorii specifici, obținându-se valorile urmatoare:
■ LEA 110 kV d.c. pe stâli din metal: 2,175 mld. Lei/km;
■ Celule 110 kV: 9mld. Lei/buc.;
■ ST 110/20 kV sistem "intrare-iesire" echipată cu transformatoare 2 6,3 MVA: 68,5 mld. Lei/buc.
Valorile investițiilor de echivalare pentru cele două variante se determină cu relația:
unde:
– pierderile de putere pentru varianta A;
– coeficient de rezervă al puterii necesare a fi menținută în sistemul de alimentare (k =1,2)
– costul unitar al puterii instalate în centrala electrică etalon pe combustibil marginal (păcură); =1250$/MV
Pentru varianta A:
Pentru varianta B:
Cheltuielile de investiții sunt prezentate în tabelul 3.4
4.2 Determinarea cheltuielilor de exploatare — întreținere și a pierderilor de energie electrică.
Cheltuielile anuale de exploatare-mententanță și a pierderilor de energie electrică apar după P.I.F a instalațiilor și sunt necesare pentru asigurarea funcționării normale a acestora, atât din punct de vedere al asigurării siguranței în alimentare, cât și din punct de vedere al realizării unor pierderi de energie minime.
Acestea se compun din:
■ Cheltuieli pentru exploatare-întreținere, ce cuprin cheltuielile pentru materiale, echipamente de lucru și protecție, salarii etc., necesare pentru efectuarea reviziilor tehnice și reparațiilor curente; acest tip de cheltuieli se calculează în procente din investițiile directe, în funcție de tipul instalației, astfel:
– LEA 110 kV: 1,75 %
– Stații electrice: 3.3%;
■ Cheltuieli corespunzătoare pierderilor de energie electrică, care se determină cu relațiile:
pentru linii electrice;
pentru transformatoare;
Unde reprezintă prețul mediu al energiei la tensiunea de 110 kV.
Cheltuielile aferente activității de exploatare-intreținere a instalațiilor electrice sunt:
• Varianta A:
• Varianta B:
Cheltuielile datorate pierderilor de energie electrică sunt:
• Varianta A:
• Varianta B:
S-a considerat prețul mediu al energiei electrice, la tensiunea de 110 kV:
Rezultatele cheltuielilor de exploatare-întreținere și a pierderilor de energie electrică sunt prezentate în tabelul 3.5.
4.3. Calculul C.T.A. pentru variantele luate în considerare
Se consideră că investiția se realizează într-un singur an și se întocmesc tabelele 3.6 și 3.7 cu cheltuielile actualizate pe o perioadă de 5 ani, pentru cele două variante de alimentare cu energie electrică, aplicând relația:
unde:
– valoarea investițiilor totale, compuse din investițiile efective și de echivalare în anul "i";
– cheltuielile anuale de exploatare-întreținere și a pierderilor de energie electrică în anul "i"; acestea intervin după finalizarea lucrărilor de investiții și punerea în funcțiune a instalațiilor electrice (după un an, în care se realizează lucrările de investiții);
– valoarea reziduală a instalațiilor electrice înlocuite (dezafectate) în anul "i" din perioada luată în studiu și reprezintă valoarea neamortizată sau valoarea de Intrebuințare ce o au aceste instalații electrice;
m – durata normală luată în studiu; m=5 ani pentru instalațiile electrice; reprezintă o perioada de prognoză a consumului de energie electrică;
a – rata de actualizare; daca se consideră 5 ani durata normată de recuperare a investițiilor, pentru o unitate cheltuită, rata de actualizare are valoarea:
Varianta A
Varianta B
Se alege varianta A care prezintă C.T.A. minime.
CAP. 5. CALCULUL CURENȚILOR DE SCURTCIRCUIT
5.1 Considerații generale
Prin scurtcircuit se înțelege contactul accidental, fără rezistență, sau printr-o rezistență de valoare relativ mică, a două sau mai multe conductoare aflate sub tensiune.
Cauzele producerii scurtcircuitelor pot fi:
• Deteriorarea mecanica a izolației;
• Ruperea conductoarelor;
• Străpungerea sau conturnarea izolației la supratensiuni;
• Punerea indirectă în contact a conductoarelor cu pământul (păsări, copaci).
Curentul de scurtcircuit este curentul care parcurge elementele instalațiilor electrice (conductoare, transformatoare, aparate electrice), în cazul apariției unui defect.
Valoarea mare a curentului de scurtcircuit are pentru instalațăle electrice următoarele efecte negative:
■ Scăderea tensiunii în instalațiile electrice ale SEE (la locul defectului datorită creșterii căderilor de tensiune, tensiunea ajunge practic la zero);
■ Deteriorarea căilor de curent și a echipamentelor electrice în cazul depășirii temperaturii maxime sau a eforturilor electrodinamice admise la funcționarea acestora în regim de scurtcircuit.
Cunoasterea valorii curentului de scurtcircuit este necesară pentru:
■ Alegerea și verificarea căilor de curent (conductoare, bare, cabluri) a aparatelor și echipamentelor electrice, din punct de vedere al stabilității termice și electrodinamice;
■ Stabilirea reglajelor pentru protecțiile prin relee ale echipamentelor electrice sau alegerea siguranțelor fuzibile pentru circuitele electrice.
Tipurile de scurtcircuite ce pot avea loc în instalațiile electrice sunt:
• Scurtcircuit trifazat (simetric);
• Scurtcircuit bifazat (nesimetric);
• Scurtcircuit bifazat cu punere la pământ (nesimetric);
• Scurtcircuit monofazat (nesimetric).
5.2 Calculul curenților de scurtcircuit prin metoda unităților relative
Metoda de calcul folosește expririlarea impedanțelor schemei de calcul in unități relative.
Etapele ce se parcurg pentru calculul curentului de scurtcircuit trifazat, conform [10], în cazul în care reprezentată de un sistem de putere infinită sunt:
a. Stabilirea mărimilor de bază: S și U ;
b. Determinarea valorii curentului de bază I ;
c. Întocmirea schemei echivalente de calcul a instalației electrice, cu reprezentarea elementelor acestora prin parametrii longitudinali;
d. Exprimarea impedanțelor (reactanțe, rezistențe) in unitati relative;
e. Determinarea reactanței relative totale intre sursă și locul de scurtcircuit aplicând metoda transfigurărilor;
f. Calculul valorii efective a curentului de scurtcircuit trifazat.
Considerăm schema monofilară de principiu din figura 5.1, pentru care se calculează curenții de scurtcircuit trifazat pe barele de 110kV și 20 kV ale stației consumatorului.
Fig. 5.1 — Schema monofilară de principiu pentru calculul curenților de scurtcircuit
Pentru LEA 110 kV cu conductoare Ol. Al. 150/25 mm , parametrii electrici sunt :
– Rezistența specifică:
– Reactanța specifică:
Puterea de scurtcircuit pe bara de 110 kV a stației A 110/20 kV este S„=3500 MVA
5.3. Calculul pe bara de 110 kV a ST 110/20 kV a consumatorului în punctul k1
Metoda unităților relative pentru calculul curentului de scurtcircuit trifazat simetric se bazează pe determinarea impedanțelor din schema de calcul ca mărimi adimensionale, prin exprimarea acestora în funcție de niște mărimi electrice, numite mărimi de bază.
Se determină, în u.r., impedanța de calcul pentru S =100 MVA (puterea de bază pe fază) și U =115 kV (tensiunea de bază sau valoarea tensiunii medii în punctul de producere a scurtcircuitului).
Curentul de bază se determină cu relația
Reactanța relativă a sistemului electroenergetic se calculează cu expresia:
Unde S – reprezintă puterea aparentă de scurtcircuit pe barele de racord a sursei (sistemului electroenergetic) de putere finită, față de care se determină reactanța. de scurtcircuit a rețelei electrice.
Reactanța relativă a LEA 110 kV se determină cu formula:
Unde l reprezintă lungimea LEA 110 kV.
Rezistența relativă a LEA 110 kV este dată de relația:
Valorile rezistenței relative și reactanței relative sunt prezentate în figura 5.2
Fig. 5.2 — Schema de principiu pentru calculul curentului de scurtcircuit pe bara de 110 kV a stației consumatorului, in punctul k
Valoarea efectivă a curentului de scurtcircuit trifazat permanent pe bara de 110 kV a stației consumatorului:
Valoarea instantanee a curentului de șoc:
Valoarea efectivă a curentului de șoc:
Puterea de scurtcircuit trifazat pe bara de 110 kV a stației consumatorului se calculează cu relația:
5.4. Scurtcircuit pe bara de 20 kV A ST 110/20 kV a consumatorului in punctual k , regim maxim
În regim maxim (transformatoarele funcționează în paralel), conform figurii 5.3, reactanța totală de calcul va fi:
Fig. 5.3 — Schema de principiu pentru calculul curenților de scurtcircuit, în punctul k , pe bara de 20 kV — regim maxim
Unde X reprezintă reactanța relativă a unui transformator.
Se calculează:
• Reactanța relativă a unui transformator 110/20 kV – 10 MVA:
Unde:
S – puterea aparentă nominală a transformatorului;
U – tensiunea procentuală de scurtcircuit.
• Reactanța totală:
• Impedanța totală de calcul este:
Se determină:
• Valoarea curentului de scurtcircuit permanent trifazat:
• Valoarea instantanee a curentului de șoc:
• Valoarea efectivă a curentului de șoc:
• Puterea de scurtcircuit trifazat pe bara de 20 kV:
CAP, 6. ALEGEREA A APARATELOR ELECTRICE. VERIFICAREA APARATELOR ELECTRICE ȘI A CĂILOR DE CURENT DIN PUNCT DE VEDERE TERMIC ȘI ELECTRODINAMIC
6.1. Considerații generale
Echipamentul electric al unei instalații electrice trebuie astfel ales încât să satisfacă următoarele condiții:
• Parametrii nominali ai echipamentului să corespundă parametrilor locului în care se instalează;
• Să reziste supratensiunilor și curenților de scurtcircuit ce pot să apară în regimurile de avarie.
Curenții de scurtcircuit solicită elementele echipamentului din punct de vedere mecanic și termic; solicitarea electrodinamică este determinată de curentul de scurtcircuit de șoc termic, iar solicitarea termică de valoarea curentului de scurtcircuit și de durata acestuia.
Verificarea echipamentului electric la solicitări mecanice și termice în cazul curenților de scurtcircuit se face prin compararea mărimilor de calcul cu cele de încercare. La alegerea și verificarea elementului respectiv, trebuie să se aleagă locul de scurtcircuit astfel încât curentul ce rezultă să determine solicitarea maximă posibilă a elementului.
De menționat transformatoarele nu se verifică la acțiunea curenților de scurtcircuit, deoarece acestea sunt asigurate din acest punct devedere prin construcția lor.
Aparatele electrice alese trebuie să satisfacă o serie de grupe de criterii tehnice, indicându-se valorile necesare determinate de solicitările din înstalatîî și valorile garantate de fabricanți pentru toate aceste criterii. Se va ține seama că intr-o stație electrică există mai multe tipuri de circuite, echiparea acestora putând fi diferită.
Criteriile tehnice de alegere a aparatelor electrice trebuie însoțite de criterii economice (investiții, costuri pentru întreținere și reparații etc), precum și de criterii privind încadrarea în mediul ambiant (masă, gabarit, aspect estetic, poluare etc).
Principalele grupe de criterii tehnice pentru alegerea aparatelor electrice sunt:
■ Condiții ambientale;
■ Caracteristici constructive;
■ Caracteristici de izolație;
■ Curent nominal;
■ Frecvență nominală;
■ Comportarea în regim de scurtcircuit;
■ Criterii specifice.
Principalele caracteristici ale aparatelor sunt:
➢ Tensiunea nominală U ,
➢ Tensiunea maximă de serviciu la care poate funcționa aparatul U ,
➢ Curentul nominal I ,
➢ Capacitatea de rupere nominală Sr, sau Ir capacitatea de conectare I ,
➢ Curentul limită termic I ,
➢ Timpul propriu de deschidere t ,
➢ Timpul total de deschidere t ,
➢ Timpul de închidere t ,
➢ Caracteristica de protecție (funcționare),
➢ Mediul pentru stingerea arcului electric,
➢ Locul de montare.
După funcționarea pe care o îndeplinesc, se deosebesc următoarele categorii:
• Aparate de conectare (întreruptoare, separatoare, separatoare de sarcină);
• Aparate de protecție (siguranțe fuzibile, bobine de reactanță și de stingere, descărcătoare);
• Aparate de măsură (transformatoare de măsură).
6.2 Alegerea și verificarea aparatelor din punct de vedere termic și electrodinamic
Alegerea aparatelor și echipamentelor electrice se face ținând seama de următoarele condiții generale:
• Tipul instalației în care se montează, de exterior sau de interior; poate fi interior sau exterior (și se indică prin tema de proiectare). De regulă, pentru tensiuni nominale de peste 110 kV, majoritatea stațiilor electrice clasice se realizează tip exterior. Instalațiile de tip interior sunt protejate împotriva intemperiilor. in stațiile interioare nu se recomandă alegerea unor aparate cu volum mare de ulei, având în vedere riscul unor explozii și incendii care se pot produce în asemenea situații.
• Caracteristicile mediului ambiant (temperatura, umiditate) și altitudinea de montare;
De regulă fabricanții de aparate garantează performanțele de catalog pentru înălțimi de funcționare a instalațiilor sub 1000 m. Pentru altitudini mai mari (de peste 1000 m), unele performanțe electrice și eventual, condițiile de stingere a arcului electric se înrăutățesc. Constructorii de aparate indicând coeficienți pentru corecția acestora.
Temperatura influențează condițiile de răcire și încărcările admisibile ale circuitelor; umiditatea și precipitațiile influențează comportarea izolației și stingerea arcului electric.
• Tensiunea nominală a aparatelor (echipamentelor) electrice trebuie să satisfacă relația:
Unde:
U – tensiunea nominală de serviciu pentru care a fost realizat aparatul (echipamentul) electric;
U – tensiunea nominală a instalației în locul de montare a echipamentului.
• Aparatele și echipamentele electrice care constituie și căi de curent, trebuie să respecte condiția:
Unde:
I – sarcina maximă de calcul determinată în roiectare pentru locul de montaj al aparatului (echipamentului);
I – curentul nominal a1 aparatului (echipamentului), realizat prin construcția acestuia.
Aceste condiții se aplică la alegerea tuturor echipamentelor și aparatelor electrice, întreruptoare, separatoare, transformatoarede curent și de tensiune.
Întreruptoarele sunt aparate prin care se realizează atât conectarea — deconectarea curenților de sarcină, cât și întreruperea curenților de scurtcircuit. in acest ultim caz, întreruptoarele trebuie să îndeplinească condiția:
• Curentul de rupere trebuie să fie mai mare decât curentul de scurtcircuit în punctul în care se montează aparatul:
Unde:
I – curentul nominal de rupere a întreruptoarelor,
I – curentul de scurtcircuit în locul de montare a întreruptorului.
Verificarea aparatelor se face din punct de vedere termic și electrodinamic, ele trebuind să satisfacă anumite condiții specifice fiecărui tip de aparat în parte. Aceste condiții vor fi prezentate pentru fiecare aparat în parte, în cadrul subcapitolelor care urmează.
Singurele aparate care nu se verifică la stabilitate termică și electrodinamică sunt transformatoarele de măsurare de tensiune, deoarece ele nu sunt supuse acțiunii curenți1or de scurtcircuit.
6.3. Alegerea aparatajului electric pentru partea de înaltă tensiune (110 kV)
6.3.1. Alegerea intreruptoarelor
Întreruptoarele sunt aparate prin care se realizează atât conectarea-deconectarea curenților de sarcină, cât și întreruperea curenților de scurtcircuit.
Întreruptoarele trebuie să îndeplinească condiția:
Unde:
S – puterea nominală de rupere a întreruptoarelor,
S – puterea de scurtcircuit în locul de montare a întreruptorului.
Din punct devedere al stabilității termice la scurtcircuit, întreruptoarele trebuie să respecte condiția:
Unde:
I – curentul limită termic pentru o secundă, dat de fabricant;
I – curentul mediu echivalent al scurtcircuituluil;
T – durata pentru care se verifică termic (pentru o altă durată decât cea de o secundă).
Valoarea curentului mediu echivalent de scurtcircuit se determină cu relația:
Unde:
m- coeficient care ține seama de aportul componentei aperiodice a curentului de scurtcircuit; acesta se determină grafic in funcție de durata defectului (t ) și de coeficientul de șoc k (fig. 6.1.a);
n- coeficient care ține seama de variația în timp a componentei periodice; acesta se determină în funcție de timpul total al defectului (t ) de raportul dintre curentul de scurtcircuit la t=0 și curentul permanent de scurtcircuit la t= (fig. 6.1.b)
t – timpul total al defectului (durata scurtcircuitului); este compus din timpul de acționare a protecției prin relee și timpul de deschidere a contactelor întreruptorului.
Fig. 6.1. — Nomograme pentru calculul curentului mediu echivalent scurtcircuitului.
a) m funcție de t și k ;
b) n funcție de t și
Din punct de vedere al solicitării electrodinamice, întreruptoarele trebuie să verifice relația:
Unde:
I – este curentul limită dinamic al întreruptorului, dat de fabricant.
Alegerea întreruptoarelor, ca și a celorlalte aparate și echipamente electrice, se face ținând seama de următoarele condiții:
• tipul instalației care se montează întreruptorul: de interior sau de exterior;
• caracteristicile mediului ambiant (temperatură, umiditate, grad de poluare) și altitudinea de montare; întreruptoarele pot fi montate fără restricții până la altitudinea de 1000 m;
• tensiunea nominală, care trebuie să fie mai mare sau egală cu cea a instalației;
• frecvența nominală, egală cu cea a rețelei;
• curentul nominal, care trebuie să fie mai mare decât curentul maxim de durată;
• capacitatea de rupere la scurtcircuit a întreruptorului, care trebuie să fie mai mare decât puterea de scurtcircuit la locul de montare;
• realizarea ciclului de RAR – ciclu de simplu RAR:
– ciclu de simplu RAR: D – T – AD sau
– ciclu de dublu RAR: D – T – AD – T – AD
unde:
D – deschidere (declanșare întreruptor de scurtcircuit);
A anclanșare;
T – prima pauză de RAR (T 3 secunde);
T – a doua pauză de RAR (T >3 secunde);
• stabilitate termică, pentru care trebuie îndeplinită condiția:
Unde:
– curentul mediu echivalent al scurtcircuitului [kA];
– curentul limită termic pentru o secundă, dat de fabricant [kA]
• stabilitatea electrodinamică, pentru care trebuie îndeplinită condiția:
unde
– reprezintă curentul limită dinamic al întreruptorului, dat de fabricant; se măsoară în kA.
Ținând cont de condițiile enumerate mai sus, pentru partea de înaltă tensiune, se pot alege întreruptoare tip H14 cu următoarele caracteristici tehnice:
➢ tensiunea nominală a instalației: 110 kV;
➢ tensiunea cea mai ridicată pentru întreruptor: 123-145kV;
➢ tensiunea nominală de ținere la impuls de comutație (trăsnet): 650 kVmax;
➢ tensiunea nominală de ținere de scurtă durată la frecvență industrială: 275 kV;
➢ curentul nominal: 2500 A;
➢ curentul limită termic: 40 kA;
➢ curentul limită dinamic 100 kAmax;
➢ tipul de întrerupere: 40 ms;
➢ secvența de manevre: D — 0,3s — AD — 3s — AD;
➢ tensiunea de comandă: 230 V c.c;
➢ dispozitiv de acționare: MOP-2B (comandă mono/tripolară);
➢ mediul de stingere: SF ;
La 110 kV există posibilitatea optării pentru acționare monofazată sau trifazată în funcție de tipul RAR. Acest tip de întreruptor se va monta în toate celulele 110 kV de linie și de transformator.
Verificarea întreruptoarelor din punct de vedere termic
Din punct de vedere al stabilității termice la scurtcircuit, intreruptoarele trebuie să respecte condiția:
Unde:
I – curentul limită termic pentru o secundă dat de fabricant, [kA]
I – curentul mediu echivalent al scurtcircuitului.
Valoarea curentului mediu echivalent de scurtcircuit se determină cu relația:
Unde:
m- coeficient care ține seama de aportul componentei aperiodice de scurtcircuit; se determină grafic în funcție de durata defectului (t ) și coeficientul de șoc (k );
n- coeficient care ține seama de variația în timp a componentei periodice; se determină grafie în funcție de timpul total al defectului (t ) și raportul dintre curentul de scurtcircuit la t=0 secunde si curentul permanent de scurtcircuit la t= .
t – timpul total al defectului (durata scurtcircuitului); se compune din timpul de acționare al protecției prin relee (t ) și timpul de deschidere al contactelor întreruptorului (t ).
Verificarea din punct de vedere termic pentru întreruptorul H 14:
pentru t =0,05 s corespunzător funcționării protecției diferențiale
Rezultă:
Pentru t =1,5+0,05 s, corespunzător protecției maximale de curent rezultă:
Pentru t =1,55 s, corespunzător protecției maximale de curent rezultă:
Se observă că I , deci intreruptorul tip H14 se verifică din punct de vedere al stabilității termice.
Verificarea întreruptorului din punct de vedere electrodinamic
Din punct de vedere al solicitărilor electrodinamice, întreruptorul trebuie să verifice relația:
unde:
I – curentul limită dinamic al întreruptorului, dat de fabricant, [kA]
I =100 kA>i =21,21
Deci intreruptorul tip H14 corespunde din punct de vedere electrodinamic.
6.3.2. Alegerea separatoarelor
Criteriile specifice de alegere a separatoarelor sunt:
• condițiile ambientale: tipul constructiv al instalației (de interior sau de exterior), altitudine, temperatură, grad de poluare;
• tensiunea nominală a separatorului sau a dispozitivului de legare la pământ, se alege în funcție de tensiunea rețelei astfel încât să fie îndeplinită condiția:
• frecvența nominală sau domeniul de frecvență pentru care este garantat separatorul sau dispozitivul de legare la pământ trebuie să corespundă frecvenței rețelei;
• curentul nominal, a cărui valoare trebuie să îndeplinească condiția:
Unde:
I – curentul maxim de durată al relației;
I – curentul nominal al separatorului;
• stabilitatea termică pentru care se impune condiția:
Unde:
I – curentul mediu echivalent al scurtcircuitului [kA]
I – curentul limită termic pentru o secundă, dat de fabricant [kA]
• stabilitatea electrodinamică asigurată de indeplinirea condiției:
Unde:
I -reprezintă curentul limită dinamic al separatorului, dat de fabricant, [kA];
• capacitatea de închidere ,garantată de producător in următoarele cazuri:
– pentru separatoare care, în lipsa unui întreruptor, sunt folosite la comutarea curenților de mers în gol ai transformatoarelor de forță;
– pentru separatoarele care trebuie să comute curenții de mers în gol ai unor LEA sau LEC;
– pentru separatoarele care trebuie să comute curentul de magnetizare al transformatoarelor de tensiune.
Pe baza condițiilor enumerate mai sus se aleg, pentru partea de 110 kV, separatoare tip STE(P)(separator tripolar de exterior cu cuțite de legare la pământ), cu următoarele caracteristici tehnice, conform [21]:
• tensiunea nominală: 110 kV;
• curentul nominal: 1600 A;
• curentul limită dinamic: 100 kAmax;
• curentul limită termic (1 s): 40 kA;
• tensiunea nominală de ținere la impuls de comutație (trasnet): 550 kVmax;
• tensiunea nominală de ținere de scurtă durată la frecvență industrială: 230 kV;
• dispozitiv de acționare: AME (acționare cu manetă).
Acest tip de separator va echipa celulele de lînie și de transformator.
La separatoarele care sunt folosite și în cadrul manevrelor de comutație, datorită rapidității care poate fi necesară, se preferă acționarea mecanică.
La tensiunea de 110 kV acționarea poate fi monofazată sau trifazată. Cuțitele de legare la pământ se prevăd cu dispozitive de acționare distincte.
Verificarea separatoarelor de 110 kV
Din punct de vedere termic:
I =40kA >I =9,309 kA
Deci separatoarele de 110 kV se verifică din punct devedere termic.
Din punct de vedere electrodinamic;
I kA >I =2 1,2 1
Deci separatoarele corespund din punct de vedere electrodinamic.
6.3.3. Alegerea transformatoarelor de curent
Criteriile de alegere ale transformatoarelor de curent sunt:
• frecvența nominală, trebuie să fie egală cu cea a rețelei;
• tensiunea nominala, va fi cel puțin egală cu cea a insta1ațiel în care se monează;
• curentul primar nominal, trebuie ales astfel încât să fie respectată condiția:
Unde I reprezintă curentul nominal al circuitului primar:
• stabilitatea electrodinamică, pentru care se impune condiția:
Unde este curentul limită dinamic, [kA], dat în cataloagele de fabricație ale transformatoarelor de curent;
• stabilitatea termică, verificată pe baza condiției:
Unde:
– curentul limită termic al transformatorului de curent, pentru timpul t, dat de fabricant, [kA];
I – valoarea curentului de scurtcircuit permanent, [kA];
T – timpul fictiv a cărui valoare depinde de durata scurtcircuitului și raportul dintre curentul de scurtcircuit la momentul zero și curentul de scurtcircuit permanent;
• curentul secundar nominal, care are valoarea fixă de 5 A;
• numărul de infășurări secundare, ce depinde de numărup aparatelor pe care TC-ul urmează să le alimenteze, precum și de valoarea încărcării circuitului pe care acesta se amplasează; este indicat de fabricant; in mod uzual la 110 kV sunt 3 infășurări pe fază;
• clasa de precizie, caracteristicăfiecărei infășurări; prescripțiile de proiectare prevăd, pentru cazurile uzuale:
– clasa 0,5 – pentru alimentarea contoarelor de energie;
– clasa 1 – pentru alimentarea aparatelor indicatoare și înregistratoare utilizate pentru evidențele tehnice;
– clasa P pentru alimentarea majorității tipurilor de relee;
• puterea secundară necesară, calculată in funcție de aparatele racordate în secundarul TC; se pot alege direct valorile uzuale garantate de fabricanți.
Pentru partea de 110 kV se pot alege transformatoarede curent de tip CESU-110kV cu următorii parametrii funcționali:
■ tensiunea nominală: 110 kV;
■ tensiunea de linie maximă de lucru: 123kV;
■ tensiunea de ținere 50Hz sub ploaie 1 min: 230 kV ef;
■ tensiunea de încercare la impuls 1,2/50 : 550 kV max;
■ curent primar nominal: 2×50 A;
■ curent secundar nominal: 5/5/5 A;
■ puterea secundară nominală: 30/30/60 VA;
■ clasa de precizie: 0,5/1013/1;
■ curent limită termic: 120 I dar max. 60 kAef;
■ curent limită dinamic: 2,5 I dar max. 85 kAef;
Semnificația simbolurilor:
C – transformator de curent;
E – de exterior;
S – tip suport;
U – izolație în ulei; izolația de înaltă tensiune, formată din hârtie electroizolantă, este uscată și impregnată sub vid.
Verificarea din punct de vedere termic se va face pentru două cazuri:
• timpul de defect este t =2,5 secunde, corespunzător duratei de funcționare a protecției maximale de curent.
• timpul de defect este t =0,5 secunde, corespunzător protecției de gaze sau protecției diferențiale de curent.
Pentru a verifica transformatoarele de curent din punct de vedere termic este necesar să calculăm valoarea timpului fictiv total.
În primul caz pentru un timp de defect de t =2,5 sec și pentru raportul din diagrama din figura 6.1 se determină timpul fictiv periodic t =3 sec.
Valoarea timpului fictiv aperiodic este t =0,145 sec.
În acest caz timpul fictiv total este t =3+0,145=3,145 sec.
Verificarea la stabilitate termică se face baza condiției enunțate în relația 6.13:
Din relația de mai sus se observă că relția 6.13 este verificată, deci transformatoarele de curent, alese, sunt stabile termic in cazul unui defect, cu durata de 2,5 secunde, pe bara de 110 kV.
În cel de-al doilea caz pentru un timp de defect de t =0,5 sec și pentru raportul =1,7 din diagrama din figura 6.1 se determină timpul fictiv periodic t =1 sec.
Valoarea timpului fictiv aperiodic este t =0,145 sec.
În acest caz timpul fictiv total este t =1+0,145=1,145 sec.
Verificarea la stabilitate termică se face în baza condiției enunțate in (6.13):
Din relația de mai sus relația se observă că relația 6.13 este verificată, deci transformatoarele de curent, alese, sunt stabile termic în cazul unui defect, cu durata de 0,5 secunde, pe bara de 110 kV.
Verificarea la stabilitatea electrodinamică impune îndeplinirea condiției (6.12). Având in vedere că valoarea instantanee a curentului de șoc, pentru scurtcircuit trifazat pe bara de 110 kV este i =21,21 kA, relația (6,12) este verificată 21,21 85 kAef, deci transformatoarele de curent tip CESU – 110 kV alese, sunt stabile din punct de vedere electrodinamic la un scurtcircuit pe bara de 110 kV.
6.3.4. Alegerea transformatoarelor de tensiune
Alegerea transformatoarelor de tensiune se face pe baza următoarelor criterii:
• Condiții ambientale:
– Tipul constructiv al instalației;
– Altitudine;
– Temperatură;
– Grad de poluare;
• Caracteristici constructive:
– Tipul constructiv;
– Numărul de poli;
• Caracteristici ale izolației:
– Tensiunea cea mai ridicată a TT-ului;
– Tensiunea de ținere la frecvență industrială
– Tensiunea de ținere la impuls;
• Frecvența nominală, trebuie să fie eală cu cea a rețelei;
• Criterii specifice pentru TT:
– Tensiunea secundară nominală, a cărei valoare necesară trebuie să fie garantată de fabricant;
– Numărul de infășurări secundare;
– Puterea secundară, se calculează în funcție de aparatele de măsurare, protecțiile și automatizările racordate in secundarul TT;
– Clasa de precizie, depinde de condițiile impuse de aparatele racordate în secundarul TT și poate fi:
– clasa 0,5 – pentru alimentarea contoarelor;
– clasa 1 – pentru alimentarea aparatelor indicatoare și inregistratoare;
– clasa 1 pentru protecțiile care necesită o precizie mai mare în alimentare;
– clasa 3P (sau 6P) pentru releele de tip voltmetric.
Se pot alege transformatoare de tip TECU 110 kV, cu următoarele caracteristici [18] :
• tensiunea primară nominală: 110/ kV;
• tensiunea maximă de lucru: 123 kV;
• tensiunea secundară nominală a infășurării de bază (de măsură): 100/V (transformator monopolar);
• tensiunea secundară nominală a infășurării auxiliare (de protecție): 100/3V (instalație în care neutrul nu este efectiv legat la pământ):
• tensiunea de ținere la frecvență industirală sub ploaie: 230 kVer;
• tensiunea de incercare la impuls 1,2/50 1.ts: 550 kV max;
• clasa de precizie a Infășurării de măsură: 0,5;
• clasa de precizie a infășurării de protecție: 1;
• puterea nominal pentru infășurarea de măsură: 100 VA;
• puterea nominală pentru infășurarea de protecție: 60 VA;
• puterea maximă pentru infășurarea de masură: 1340 VA;
• puterea maximă pentrur infășurarea de protecție: 160 VA.
Semnificația simbolurilor:
T – transformator de tensune;
E – de exterior;
C – capacitiv;
U – izo1ație ulei.
Transformatoarele de tensiune nu constituie căi de curent deci ele nu vor fi influențate de curentul de scurtcircuit, verificarea lor la stabilitate termică si electrocinamică ne mai fiind necesară.
6.3.5. Alegerea descărcătoarelor
Descărcătoarele se aleg în funcție de:
• tensiunea maximă admisibilă pe descărcător, tensiune ce trebuie să fie mai mare decât tensiunea nominală;
• tensiunea de amorsare la frecvență industrială care trebuie să fie mai mare decât tensiunea maximă de serviciu a rețelei;
• capacitatea de descărcare capacitatea de ținere la impuls de curent speficitată ca: număr, formă, amplitudine;
• clasa limitatorului de presiune, criteriu îndeplinit dacă valoarea curentului de scurtcircuit este mai mică decât cea a curentului corespunzător clasei limitatorului de presiune.
Pentru partea de 110 kV alegem descărcătoare cu oxizi de zinc, tip 3EP1, cu următoarele caracteristici:
• tensiunea nominală: 144 kV;
• curentul nominal de descărcare: 10 kA;
• curentul de scurtcircuit: 20 kA;
• curentul de descărcare de lungă durată: 600 A.
Cu acest tip de descărcătoare vor fi echipate barele de 110 kV ale stației consumatorului.
6.4 Alegerea aparatajului electric pentru partea de medie tensiune (20 kV)
6.4.1. Alegerea celulelor debroșabile
Celulele debroșabile se aleg în funcție de:
• tensiunea nominală;
• curentul nominal;
• frevența nominală;
• stabilitatea termică;
• stabilitatea electrodinamică.
Curentul nominal se determină în ipoteza că puterea aparentă vehiculată pe fiecare linie are aceeași valoare, adică 1/6 din puterea aparentă totală:
Urmărind îndeplinirea criteriilor de mai sus se aleg celule debroșabile de tip CILCD 20 kV (celule de linie de interior cu întreruptoare debroșabile), compuse din:
• întreruptoare;
• separatoare;
• separator cu cuțit de legare 1a pământ;
• indicator de prezență a tensiunii.
Aceste celule au următoarele caracteristici:
• tensiune maximă de serviciu: 24 kV;
• curentul nominal: 630 A;
• curentul limită termic (ls): 30 kAef;
• curentul limită dinamic: 75 kAmax;
• curentul de rupere 12 kA.
Întreruptoarele vor fi de tip IO 20 kV (întreruptor ortojector), cu următoarele caracteristici:
– curentul nominal: 630 A;
– curent 1imită dinamic: 76,5 kAmax;
– curent limită termic: 30 kA;
– dispozitiv de acționare: MRI-1 (dispozitiv de acționare cu resoarte).
Întreruptoarele de medie tensiune se verifică din punct de vedere al stabilității termice cu aceleași relații, la t =1,55 s, pentru care avem:
la t = 1,05 secunde avem:
Din punct de vedere electrodinamic avem: =25 kA> 1,345 kA
Separatoarele 20 kV vor fi de tip STIN, cu următoarele caracteristici:
– curentul nominal: 400 A;
– curentul limită dinamic: 25 kAmax;
– curentul limită termic 10 kA;
– dispozitiv de acționare: AP (acționare pneumatică), AMI (acționare cu manetă).
Seminificația literelor:
S – separator;
T – tripolar;
I – de interior;
(P) – cu cuțit de legare la pământ.
Separatoarele se verifică:
– din punct de vedere termic:
– din punct de vedere electrodinamic:
6.4.2. Alegerea siguranțelor fuzibile pentru protecția transformatoarelor de tensiune
Siguranțele fuzibile de medie tensiune folosite pentru protecția transformatoarelor de tensiune trebuie să corespundă, în afara condițiilor specificate pentru celelalte tipuri de echipamente, următoarelor condiții:
• fuzibilul să nu se topească la curentul de suprasarcină pe o durată limitată, condiție ce se verifică cu ajutorul caracteristicilor curent – timp;
• curentul de rupere al fuzibilului trebuie să fie cel puțin egal cu curentul de scurtcircuit stabilizat la locul de montare:
Pentru U =20 kV siguranțele fuzibile au I =7,7 kA, iar puterea de rupere a fuzibilului este de 200 MVA.
Verificarea curentului de rupere:
Alte caracteristici ale acestor siguranțe tip FITn sunt:
• tensiunea maximă de serviciu: 24 kV;
• tipul montajului: monopolar.
6.4.3. Alegerea transformatoarelor de curent
Transformatoarele de curent alese, în funcție de criteriile prezentate în 6.2.3, sunt tip CIRTo (transformatoare de curent interior, cu izolația în rășină, de trecere, montaj tip șaibă în circuitul primar, cu bare plate), cu următoarele caracteristici:
■ tensiune nominală: 20 kV;
■ tensiunea maximă de lucru: 24 kV;
■ tensiunea de ținere la 50 Hz: 50 kVef;
■ tensiunea de ținere la impuls 1,2/50 ius: 125 kVmax;
■ curentul primar nominal: 400 A;
■ curentul secundar nominal: 5 A;
■ puterea secundară nominală 30 VA;
■ clasa de precizie: 0,5; 10P
■ curent limită termic: 100 I kAef;
■ curent limită dinamic: practic nelimitat;
■ număr de Infășurări secundare: 2.
Verificarea transformatoarelor de curent se va face pentru scurtcircuit pe bara de 20 kV în regim maxim de funcționare (cu ambele transformatoare în funcțiune), deoarece în acest caz curentul de scurtcircuit este mai mare și dacă echipamentele vor rezista din punct de vedere termic și electrodinamic acestui regim de defect atunci automat vor fi apte și pentru celălalt regim de funcționare minim (cu un transformator în funcțiune).
Verificarea din punct de vedere termic se va face pe două cazuri:
• timpul de defect este t =2,5 secunde, corespunzător duratei de funcționare a protecției maximede curent
• timpul de defect este t =0,5 secunde, corespunzător protecției de gaze sau protecției diferențiale de curent.
Pentru a verifica transformatoarele de curent din punct de vedere termic este necesar să calculăm valoarea timpului fictiv total.
În primul caz pentru un timp de defect de t =2,5 sec pentru raportul =1 din diagrama din figura 6.1 se determină timpul fictiv periodic t =2 sec.
Valoarea timpului fictiv aperiodic este t =0,05 sec.
În acest caz timpul fictiv total este t =2+0,05=2,05 sec.
Verificarea la stabilitate termică se face in baza condiției (6.13):
Se observă că relația (6.13) este verificată, deci transformatoarele de curent, alese, sunt stabile termic în cazul unui defect, cu durata de 2,5 secunde, pe bara de 20 kV.
În cel de-al doilea caz pentru un timp de defect de t =0,5 sec și pentru raportul =1 din diagrama din figura 8.2 se determină timpul fictiv periodic t =0,5 sec.
Valoarea timpului fictiv aperiodic este t =0,05 sec.
În acest caz timpul fictiv total este t =0,5+0,05=0,55 sec.
Verificarea la stabilitate termică se face în baza condiției enunțate relația (6.13):
Se observă că relația (6.13) este verificată, deci transformatoarele de curent, alese, sunt stabile termic în cazul unui defect, cu durata de 0,5 secunde, pe bara de 20 kV.
Verificarea la stabilitate electrodinamică impune Indeplinirea condiției prin relația (6.12). Având în vedere că valoarea instantanee a curentului de șoc, pentru scurtcircuit trifazat pe bara de 20 kV în regim maxim de funcționare este i =2,16 kA, relația (6,12) este verificată:
6.4.4. Alegerea transformatoarelor de tensiune
S-a realizat conform criteriilor enumerate la 6.2.4. S-au ales transformatoare de tensiune tip TIRM (transformatoare de tensiune de interior, cu izolația în rășină, monopolar, varianta 0), care au caracteristicile următoare:
■ Tensiunea primară nominală: 20 kV;
■ Tensiunea maximă de lucru: 24 kv;
■ Tensiunea de izolație: 20 kV;
■ Tensiunea secundară a infășurării de măsură: 100 V
■ Tensiunea nominală a infășurării de protecție: 100/3 V;
■ Tensunea de încercare la 50 Hz: 50 kVef;
■ Tensiunea de încercare la impuls 1,2/50 : 125 kVmax;
■ Clasa de precizie: 0,5; 6P;
■ Puterea secundară nominală: 100 VA.
6.4.5. Alegerea descărcătoarelor
S-a realizat conform 6.2.5 și s-au ales descărcătoare tip 3EF1, cu următoarele caracteristici:
• Tensiunea nominală: 20 kV;
• Tensunea maximă: 24 kV;
• Curentul nominal de descărcare: 1 kA;
• Curentul de scurtcircuit maxim: 40 kA;
• Curentul de descărcare de lungă durată: 1300 a.
6.5. Verificarea căilor de curent la curenții de scurtcircuit
6.5.1. Verificarea barelor la curentii de scurtcircuit
Barele (căile de curent) rigide sunt supuse, în cazul parcurgerii lor de către curenții de scurtcircuit la eforturi mecanice, datorită forțelor electrodinamice care apar între faze sau între căile de curent ale aceleiași faze.
Pentru barele colectoare și racordurile transformatoarelor de putere se aleg bare rigide din A1 1x (80×10) mm așezate pe lat, cu I =1435 A.
Barele rigide sse vor verifica la regimulde scurtcircuit, pe bara de 110 kV, deoarece acesta este un regim de defect cu curenții de scurtcircuit cei mai mari.
Forța totala care apare,se poate calcula, având în vedere mărimile geometrice ale barelor, cu relația:
Unde:
L- lungimea deschiderii, considerată între două puncte de sprijin (izolatoare suport);
a – Distanța dintre axele fazelor, a=A+b=250+80=0,22 m;
Pentru o lungime a deschiderii, consideră L=1,1 m și o distanță între axele fazelor de a=0,33 m, se calculează forța totală care apare cu ajutorul relației (6.16):
Stabilitatea la eforturile electrodinamice se verifică dacă se respectă condiția:
unde: – reprezintă efortul unitar admisibil la încovoiere specific unui anumit material; pentru aluminiu =700 daN/cm ;
Valoarea eforturilor electrodinamice se calculează cu relația:
unde: W — reprezintă modulul de rezistență al barelor.
Valoarea modulului de rezistență se determină în funcție de modul de așezare al barelor, numărul de bare profilul acestora. in lucrarea de față modulul rezistentei barelor se determină cu relatia:
Pentru valorile lui b și h considerate a fi, funcție de caracteristicile barelor, b=8 și h=1 se calculează valoarea modulului de rezistență cu relația (6.19):
Cunoscând valoarea forței electrodinamice totale F, care apare între faze sau între căile de current ale aceleiași faze și valoarea modulului de rezistență, se poate calcula valoarea efortului unitar de încovoiere cu ajutorul relației (6.18):
Pentru valoarea efortului unitar de încovoiere calculată cu relația (6.18), =387,62 daN/cm, condiția de stabilitate la eforturile electrodinamice este îndeplinită conform relației (6.17), pentru efortul unitar de încovoiere specific aluminiului =700daN/cm , deci barele de aluminiu alese sunt stabile din punct de vedere al eforturilor electrodinamice în cazul unui scurtcircuit pe barelede 110 kV.
Verificarea stabilității termice a barelor colectoare are ca scop verificarea secțiunii adoptate, în condițiile în care aceasta este parcursă de curentul de scurtcircuit. Pe durata scurtcircuitului temperature căii de current poate depăși de câteva ori valoarea admisibilă în condiții normale de funcționare.
Pentru ca temperatura căii de curent să nu depășească limita admisă de norme, trebuie ca secțiunea acesteia să verifice relația:
unde:
s – secțiunea barei (căii de curent);
c – coeficient care depinde de tipul căii de curent și de materialul acesteia; pentru bare de alummiu c=90.
Verificarea din punct devedere termic se va face pentru două cazuri:
• Timpul de defect este t =2,5 secunde, corespunzător duratei de funcționare a protecției maximale de curent:
• Timpul de defect este t =0,5 secunde, corespunzător protecției de gaze sau protecției diferențiale de curent:
Ținând cont de faptul că secțiunea barelor este s=800 mm , condiția de stabilitate termică a barelor este satisfăcută.
6.5.2. Verificarea secțiunii conductoarelor LEA la curenții de scurtcircuit
Verificarea secțiunii LEA 110 kV la stabilitatea termică la curentul de scurtcircuit nu este necesară, deoarece fiind LEA, conductoarele din care este alcătuită sunt bine răcite, nemaiexistând pericolul deteriorării acestora la un curent de scurtcircuit care durează câteva momente, până la maxim 2,5 secunde, timpul corespunzător duratei de funcționare a protecției maximale de curent.
CAP. 7. COMENSAREA CONSUNIULUI DE PUTERE REACTIVĂ
Consumul puterii reactive necesar funcționării transformatoarelor de putere, motoarelor asincrone, etc. este caracterizat de factorul de putere care, în regim sinusoidal, conform [18] se calculează cu relația:
Factorul de putere reprezintă legătura dintre puterea activă, reactivă și aparentă; la un factor de putere redus funcționarea instalației electrice este nefavorabilă ca urmare a creșterilor pierderilor de putere și a căderilor de tensiune, datorită unei puteri reactive de valoare mare. Un consum exagerat de putere reactivă conduce la realizarea unui factor de putere de valoare mică și are efecte negative asupra întregului proces de transport și distribuție a energiei electrice prin:
• Creșterea pierderilor de putere și energie electrică în instalațiile electrice;
• Creșterea căderilor de tensiune în rețelele electrice;
• Necesitatea supradimensionării tuturor instalațiilor electrice pentru a permite și vehicularea puterii reactive corespunzătoare factorului de putere natural.
Realizarea unui factor de putere redus impune luarea unor măsuri care să limiteze consumul de putere reactivă și efectele acestuia în instalațiile electrice .
Pentru diminuarea efectelor produse în rețelele electrice prin circulația puterii reactive, consumatorii industriali au obligația să realizeze în funcționarea instalațiilor electrice proprii un factor de putere neutral, cos =0,92.
Reducerea consumului de putere reactivă în instalațiile consumatorului se poate realiza prin adoptarea următoarelor măsuri:
• Alegerea corectă a puterii nominale a transformatoarelor electrice;
• Limitarea mersului în gol al receptoarelor consumatoare de putere reactivă (motoare asincrone, transformatoare de sudură);
• Înlocuirea receptoarelor consumatoare de putere reactivă slab încărcate cu altele a căror putere nominală corespunde necesităților tehnologice;
• Înlocuirea motoarelor asincrone cu motoare sincrone a căror funcționare se face la cos9=1, atunci când aceasta măsură se justifică din punct de vedere tehnic și economic;
• Înlocuirea transformatoarelor slab 'incărcate, din stații și posturi de transformare, cu altele a căror încărcare să corespundă unei funcționări economice.
În cazul în care după luarea unor astfel de măsuri nu se ajunge la valoare factorului de putere neutral se va proceda la instalarea unor surse speciale de producere a energiei reactive cât mai aproape de locul de consum.
Pentru producerea de putere reactivă in punctele de consum ale acesteia se utilizează în mod frecvent condensatoarele statice, care sunt cele mai utilizate surse de putere reactivă datorită costurilor reduse de investiții și a posibilităților ușoare de montaj.
Bateriile de condensatoare pot fi fracționate în mai multe trepte de putere care se pot conecta sau deconecta manual sau automat, în funcție de puterea reactivă absorbită de consumator. De obicei se adopta două sau trei trepte de puteri egale, din care prima treaptă corespunde unui palier de putere minima reactivă necesară funcționării în gol a receptoarelor instalate la consumator.
Amplasarea bateriilor de condensatoare se poate face, pentru consumatorul industrial analizat, in următoarele puncte:
➢ Pe barele de 20 kV ale stației de transformare a consumatorului;
➢ Pe barele de joasa tensiune din tabloul de distribuție al consumatorului;
În acest caz s-a ales varianta amplasării bateriei de condensatoare pebarele de 20 kV ale stației consumatorului.
7.1. Scheme de conexiuni pentru bateriile de condensatoare
Pentru acest consumator s-a ales soluția amplasării bateriilor de condensatoare pe barele de 20 kV ale stației acestuia. Schemele de conexiuni pentru bateriile de condensatoare trifazatede medie tensiune se realizează, de regulă, in dublă stea cu neutrele izolate față de pământ. Pe legătura dintre neutre se montează un transformator de curent tip CIRS 20 kV (C – transformator de curent, I – de interior,R – cu izolație în rășină, S – tip suport), prin care se realizează o protecție diferențială de curent eficientă în cazul defectelor inteme în condensatoare. Nu se recomandă proiectarea bateriilor de condensatoare în simplă stea deoarece aceasta soluție nu oferă posibilitatea protecției bateriilor la defecte interne in unități.
Obținerea bateriilor de o anumită putere se realizează prin conectarea mai multor ramuri în paralel pe o fază, iar pentru obținerea bateriilor de o anumită tensiune (20 kV), atunci când tensiunea fiecărui condensator este inferioarî celei nominale a rețelei, se conectează în serie pe fază mai multe unități.
7.2. Tipodimensiuni pentru baterii de condensatoare șunt de MT din stația 110/20 kV
Bateriile de 20 kV se pot executa cu puteri până la 14 MV Ar pe treaptă, însă, din considerente constructive, se recomandă maximum 6 MV Ar pe treaptă.
Bateria va fi constituită din condensatoare cu următoarele caracteristici:
■ Tensiunea nominală: U =6,3/21 kV;
■ Capacitatea: C =8 ;
■ Puterea nominală: Q =0,1 MV Ar.
7.3. Descărcarea bateriei
Regimul de descărcare a bateriilor de condensatoare se analizează în scoul desfășurării lucrărilor de revizii și reparații în depline condiții de securitate a muncii.
În procesul de descărcare a unei baterii de condensatoare interesează de obicei timpul in care are loc descărcarea, astfel încât tensiunea remanentă la bornele bateriei să nu prezinte pericol pentru personalul de exploatare. În acest scop se prevede o instalație fixă de descărcare, cu rolul de a asigura, după deconectare, o reducere a tensiunii sub 50 V într-un interval de maximum 6 minute.
Descărcarea se realizează automat prin infășurările a două transformatoare de tensiune bifazate TIRB 20 kV triunghi deschis și racordate nemijlocit 1a bornele bateriei (treptei), fără aparate de conectare sau protecție.
Semnificația literelor este:
T – transformator de curent;
I- de interior;
R – izolație în rășină;
B – bipolar;
0 – varianta constructivă.
Pentru aceasta, rezistența circuitului de descărcare trebuie să îndeplinească condiția:
in care:
t – timpul maxim admis pentru descărcare de la U la U ; t=300s;
C – capacitatea bateriei (treptei) pe fază ;
U – tensiunea nominală a bateriei [V];
U – tensiunea reziduală admisă; U =50 V.
7.4. Conditii de funcționare
Repartiția condensatoarelor pe fază se face cu o abatere maximă a capacităților de la:
• 0 la +10% – pentru bateriile cu puterea nominală inferioară sau egală cu 3 MVAr;
• 0 la 5% – pentru bateriile cu putere nominală peste 3 MVAr.
Bateria de condensatoare trebuie să suporte în funcționare continuă un curent maxim de 1,3 . Ținând seama de toleranța de capacitate de 1,1 C , curentul maxim posibil poate fi de 1,43 I (1,3-1,1 I ), valoarea de care trebuie să se țină seama la dimensionarea aparatelor de comandă și protecție și a racordurilor.
Bateriile trebuie să suporte un timp nelimitat o supratensiune de 1,1 U . Factorul deformant al undei de tensiune în modul de rețea in care se instalează bateria trebuie să fie maxim 5%.
Categoria de temperatură recomandată pentru bateriile de condensatoare este de -30°C ÷ +40°C. Condensatoarele pot funcționa la temperaturi inferioare celei minime a mediului ambiant, corespunzător categoriei de temperatură, cu condiția de a se evita punerea sub tensiune la aceste temperaturi.
7.5. Circuite de control
Circuitele de măsură includ următoarele aparate:
• Pe ampermetru și contor de energie reactivă;
• Pe tabloul de comandă și protecție: varmetru cu zero la mijloc, conectatpe partea de medie tensiune a transformatoarelor de 110/20 kV și voltmetru pentru măsurarea tensiunii în circuitul bateriei.
Circuitele de semnalizare sunt prevăzute cu următoarele semnalizări:
• Semnalizare optică de poziție;
• Semnalizare de avarie;
• Semnalizare preventivă.
Circuitele de blocaj au rolul de:
• Blocare a anclanșării întreruptorului bateriei înainte de descărcarea acesteia;
• Blocare a accesului personalului de exploatare în incinta bateriei de condensatoare.
7.6. Regimuri de funcționare ale bateriilor șunt
Prezența bateriilor de condensatoare în rețelele electrice determină apariția unor fenomene tranzitorii la conectarea, deconectarea și descărcarea automată a bateriilor.
La conectarea bateriilor de condensatoare cu o treaptă de putere se produce un șoc de curent a cărui valoare depinde de: curentul nominal al bateriei, puterea reactivă a bateriei, tensiunea maximă de serviciu a rețelei și puterea de scurtcircuit pe barele de 20 kV. Pentru depășirea șocului de curent, în cazul bateriilor cu mai multe trepte, se recomandă mărirea lungimii cablurilor de racord. Valoarea curentului de conectare nu trebuie să depășească valoarea curentului de șoc al intreruptorului folosit ca aparat de comutare. Curentul de comutare, deși are o valoare mare, nu produce în rețea efecte negative, datorită duratei sale scurte.
La conectarea bateriilor șunt se produce un șoc de tensiune pe barele de medie tensiune, care nu trebuie să depășească 3% din valoarea tensiunii nominale a rețelei. Pentru depășirea șocului de tensiune se recomandă funcționarea bateriei în trepte, chiar daca, din considerente de proiectare (puterea reactivă necesară și curba de variație a acesteia) nu se impune fracționarea bateriei.
Conectarea uneibaterii se execută numai dacă aceasta este complet descărcată, deoarece pot apărea supracurenți și supratensiuni de valori mari, ce pot duce la deteriorarea instalației și la perturbații in SEE.
7.7. Dimensionarea bateriei de condensatoare
Date necesare pentru proiectare:
• Valoarea puterii reactive ce trebuie compensată: Qc=1,246 MVAr;
• Bateria este trifazată, cu o treaptă realizată din două stele;
• Amplasamentul bateriei: ST 110/20kV, pe barele de 20 kV;
• Condensatoarele utilizate au caracteristicile prezentate în capitolul 7.2
7.7.1 Calculul puterii bateriei de condensatoare
Factorul de putere inițial, in lipsa bateriei de condensatoare este cos =0,8, iar prin introducerea bateriei se preconizează apropierea de cos =0,92.
Puterea reactivă necesară a se compnsa se determină cu relația:
Unde:
P1 – puterea activă maximă absorbită de consumator;
tg – tangenta unghiului ; tg =Q1/P1=2484/2871=0,86
tg – tangenta unghiului
Pentru cos =0,92 rezultă tg =0,4259
Q =2,871(0,86-0,4259)=1,246MVAr
Numărul total de condensatoare ce va forma bateria este dat de relația:
Numărul condensatoarelor ce urmează să constituie bateria trebuie să fie multiplu de trei, astfel încât curentul reactiv produs să formeze un sistem echilibrat de sarcină pe fiecare fază a rețelei, deci bateria va fi formată din nouă condensatoare.
Pentru realizarea conexiunii dublă stea se calculează numărul de condensatoare pe fază (fiecare fază este formată din două ramuri):
Se aleg două condensatoare pe ramură și patru pe fază, realizându-se un montaj în dublă stea (fig. 7.1); numărul condensatoarelor utilizate va fi n =12 bucăți.
Puterea reactivă reală a bateriei va fi:
După stabilirea puterii bateriei de condensatoare se calculează:
• Curentul debitat de aceasta pentru verificarea întreruptoarelor din schema de montaj:
• șocul de tensune ce se produce la conectarea bateriei de condensatoare, care se compară cu șocul de tensiune admisibil, (%)=3%:
• valoarea curentului de șoc la conectarea bateriei este:
Acesta va fi tip IO 20/630 A (intreruptor ortojector), cu următoarele caracteristici:
■ curentul de rupere în regim capacitiv: 0,4 kA;
■ curentul de șoc maxim: I =43 kA.
Trebuie îndeplinită condiția:
Condițiile de verificare fiind respectate, bateria se va realiza conform schemei din fig. 7.1
Figura 7.1. Dispunerea elementelor bateriei de condensatoare.
CAP.8. INSTALAȚII DE LEGARE LA PĂMÂNT
8.1. Considerații generale
Instalațiile de legare la pământ ale rețelelor electrice, liniilor, stațiilor și posturilor de transformare, reprezintă ansamblul de elemente conductoare și electrozi prin care se realizează un contac al unor părți componente ale instalațiilor electrice, cu pământul.
Priza de pământ este constituită din electrozi orientali sau electrozi orientali și verticali în contact direct cu pământul.
Mărimea electrică ce caracterizează priza de pământ este rezistența de dispersie (Rp), definită prin relația:
Unde:
U – tensiunea prizei de pământ;
I – curentul de defect (curentul de scurtcircuit monofazat sau curentul de punere la pământ în cazul rețelelor cu neutrul izolat).
Legarea la pământ se realizează pentru:
• protecția persoanelor împotriva electrocutării în cazul atingerii unor părți metalice ale instalațiilor electrice care în mod normal nu sunt sub tensiune, dar care pot intra accidental sub tensiune;
• executarea unor lucrări în instalațiile electrice, situație în care acestea se leagă la priza de pământ prin intermediul scurtcircuitelor sau cuțitelor de legare la pământ;
• protecția instalatiilor electrice și a persoanelor (personal de exploatare) împotriva supratensiunilor atmosferice;
• realizarea unor condiții tehnice cerute de funcționare a instalațiilor electrice:
– legarea la pământ a punctului neutru, direct, prin bobină de stingere sau rezistență;
– închiderea unor circuite electrice prin pământ în regim de funcționare normală (tracțiune electrică);
La noi în țară obiectivele de mai sus se realizează utilizând o singură instalație de legare 1a pământ. Aceasta instalație trebuie să corespundă tuturor condițiilor impuse de fiecare obiectiv în parte, de obicei condițiile cele mai severe sunt impuse de protecția persoanelor împotriva electrocutării.
La trecerea curentului de defect (I ) prin electrozii prizei și prin solul din jurul acestora, pe aceSi electrozi și în jurul acestora apare un potențial ce reprezintă potențialul maxim al prizei de pământ (V ).
Diferența de potențial între acest punct ce reprezintă potențialul maxim de priză și un alt punct aflat la distanță suficient de mare unde potențialul are valoarea zero (V ), se numește tensiunea prizei de pământ:
Accidentul prin electrocutare poate avea loc în două moduri:
• prin atingere directă a unui conductor aflat sub tensiune în mod normal; măsurile de protecție în acest caz constau în montarea aparatelor și căilor de curent la înălțimi care să împiedice atingerea acestora sau realizarea unor împrejmuiri de protecție a lor și prin respectarea normelor de securitate a muncii în instalațiile electrice;
• prin atingere indirectă; prin atingerea unor părți metalice din instalațiile electrice care în mod normal nu sunt sub tensiune și care numai în mod accidental (defect) ajung sub tensiune.
Din punct de vedere constructiv prizele de pământ pot fi:
• prize normale, construite din elementele metalice conductoare de curent ale unor construcții (armăturile metalice ale fundațiilor, conducte metalice de apă sau de alte fluide necombustibile, invelișu1 metalic al cablurilor electrice, etc);
• prize artificiale, construite din electrozi metalici orizontali sau orizontali și verticali, introduși în pământ în scopul asigurării scurgerii curenților de defect spre pământ.
Un electrod orizontal sau vertical reprezintă o priză simplă, iar un ansamblu de electrozi verticali și orizontali legați între ei, formează o priză complexă.
La executarea prizelor artificiale se utilizează de regulă electrozi din oțel zincat și numai în cazuri electrozi de cupru.
Priza artificială pentru stații exterioare este o priză complexă formată din electrozi orizontali (priză orizontală) și verticali (priză verticală) și o priză de dirijare a potențialelor (fig. 8.1).
Fig. 8.1 — Priză artificială pentru stații exterioare
1 – împrejmuire stație electrică;
2 – electrozi orizontali;
3 – electrozi verticali;
4 – contur priză de dirijare a potențialelor;
5 – benzi de dirijare a potențialelor;
6 – aparat electric cu două conductoare de legătură;
7 – legătura prizei de dirijare la conturul principal al prizei de pământ;
8 – fundații transformatoare;
9 – fundație cameră conexiuni și cameră comandă;
10 – contur priză din electrozi orizontali la transformator;
11 – Contur priză din electrozi orizontali la corp clădire (camera conexiuni și camera de comandă);
12 – Contur de dirijare exterior împrejurimi.
Priza artificială pentru stații interioare este o priză de pământ complexă și este prezentată în fig. 8.2.
Unde: a=3-3,5 m; b=1,5-2m, c=0,8m; d=0,3m.
Priza de pământ artificială pentru stațiile interioare este compusă din următoarele elemente: 1 – zid (fundație) clădire stație interioară;
2,3,4 – contururi din oțel – realizează priza de dirijare a potențialelor; primul contur se amplasează la 0,3 m de zidul clădirii și h=0,2 m, al doilea contur se amplasează la 0,8 m si h=(0,4÷0,6)m, iar al treilea contur se amplasează la (3÷3,5)m și h=(1÷1,2) m;
4 – electrozi orizontali din oțel lat sau oțel rotund;
5 – electrozi verticali din țeava cu =(2"÷2,5"); electrozii orizontali și verticali creează conturul principal al prizei de pământ ce se amplasează la (1,5-2) m de zidul clădirii și la adâncimea de h=(0,8÷1)m,
7 – contur închis al conductorului principal de legare la priză; se execută din oțel lat, iar secțiunea trebuie să verifice relația (8,5);
8 – racord din oțel folosit pentru a lega între ele contururile prizei artificiale;
9 – racord din oțel intre conductorul principal de legare la priză și priza de pământ;
10 – echipament electric (celulă);
11 – legătură la pământ a echipamentului; secțiunea trebuie să verifice relația(8.5)
În figura 8.3 sunt prezentate mărimile caracteristice ale zonei de amplasament a stației 110/20kV a consumatorului.
8.2. Dimensionarea instalațiilor de legare la pământ pentru stațiile electrice
8.2.1. Dimensionarea instalației de legare la pământ a stației exterioare
Conturul principal al prizei de pământ, realizat din electrozi orizontali și verticali, este amplasat 1a aproximativ 1,5 m de împrejmuire în interiorul stației.
Electrozii verticali sunt din țeava de oțel (galvanizat) cu =65mm, cu lungimea l =3m; adâncimea de îngropare este h=lm.
Relația de calcul pentru rezistența de dispersie a unei prizesimple verticale cu caracteristicile de mai sus este:
unde:
t=h+0,5-l ,=1+0,5 3=2,5m;
d-diametrul electrozilor verticali; d=0,065m;
– rezistivitatea solului; =800m.
Valoarea rezistenței de dispersie a electrozilor verticali este:
Electrozii orizontali se construiesc din oțel profil lat (40×5) mm .
Ei realizează legătura între electrozii verticali, fiind îngropați la adâncimea h=1m. Lungimea unui electrod orizontal (distanța între doi electrozi verticali) este l =3m.
Relația de calcul pentru un astfel de electrod este:
unde b reprezintă lățimea barei late din oțel; b=0,04m.
Valoarea rezistenței de dispersie a electrozilor orizontali este:
Secțiunea electrozilor orizontali (40×5)mm trebuie să asigure trecerea unui curent egal cu curentul maxim de scurtcircuit monofazat I (priza formează un contur închis).
Relația de calcul a secțiunii este:
unde c=70 A/mm.
Se determină valoarea curentului de scurtcircuit monofazat minim în punctul k cu relația:
Deoarece valoarea secțiunii ce rezultă din relația (8.5) este mai mică decât secțiunea barelor de oțel lat s =200mm , barele de oțel sunt stabile la acțiunea curentului de scurtcircuit monofazat.
Priza de dirijare a potențialului se execută din electrozi orizontali întropați la adâncimea h=0,6m; distanța medie între două benzi poate fiL de (5÷10)m. Priza de dirijare a potențialelor se leagă de conturul principal, aflat 1a o distanță, de 3,5 m, în mai multe puncte prin benzi din oțel lat a căror secțiune trebuie să verifice relația 8.5.
În jurul clădirilor din incinta stației și în jurul fundațiilor transformatoarelor se prevăd contururi de dirijare a potențialelor din electrozi orizontali ce se leagă la conturul prizei de dirijare.
Uneori în exteriorul stației electrice (împrejurimi) se realizează un contur exterior de dirijare, care se leagă numai la împrejmuire (gard) in mai multe puncte.
De reținut că benzile paralele ale prizei de dirijare a potențialelor se folosesc și drept conductoare principale de legare la priza de pământ a echipamentelor și aparatelor electrice din stația electrică.
Conductele de ramificație (legătură) pot fi parcurse de întreg curentul de scurtcircuit, deci trebuie să verifice relația(8.5).
Dimensionarea prizei de pământ presupune calcularea rezistenței de dispersie și a tensiunilor de atingere și de pas. Pentru aceasta este necesar să se cunoască următoarele date inițiale, electrice și geometrice ale instalației electrice:
• Dimensiunile geometrice (IxL) ale suprafeței ocupate de instalația electrică și stabilirea modului de realizare a prizei;
• Tipul instalației electrice, tensiune nominală, modul de tratare a neutrului și metoda de protecție folosită împotriva electrocutării;
• Valoarea curentului de defect maxim (curentul de scurtcircuit monofazat pentru rețelele de tip T și curentul de scurtcircuit bifazat cu pământul sau curentul de punere la pământ pentru rețelele de tip I);
• Timpul de eliminare a defectului (t ). Se consideră timpul de acționare al protecției de bază.
Calculul rezistenței de dispersie a prizei de pământ se efectuează parcurgând următoarele etape:
• Se calculează sau se determină prin măsurători valoarea rezistenței prizei naturale, R cu R
• Se calculează rezistența cu dispersie a unui electrod vertical, cu relația (8.3) și apoi rezistența de dispersie echivalentă a prizei verticale aplicând relația:
Unde:
n – numărul electrozilor verticali care se amplasează pe conturul principal al prizei de pământ;
u – coeficientul de utilizare al prizei verticale, dat în tabele (IRE-4-30-90) în funcție de:
n și l – (distanța între electrozii verticali);
u =0,38.
• Se calculează rezistența de dispersie a unui electrod orizontal (r 0), cu relația 8.4 apoi rezistența de dispersie echivalentă a prizei orizontale, aplicând relația:
Unde:
n – numărul electrozilor orizontali care se amplasează pe conturul principal al prizei, egal cu numărul electrozilor verticali, r =63 electrozi;
u – coeficientul de utilizare al prizei orizontale, dat în tabelele (1 RE-I -30-90) în funcție de n și l (distanța între electrozii orizontali);
u =0,2.
• Se calculează rezistența de dispersie a prizei de dirijare a potențialelor, aplicând relația:
Unde
S — suprafața prizei de dirijare (l x L ), [m ]’
U – coeficient de utilizare; u =0,8.
Priza de dirijare a potențialelor se execută din electrozi orizontali îngropați 1a adâncimea h=0,6m; distanța medie între două benzi poate fi de (5÷10)m.
Priza de dirijare a potențialelor se leagă de conturul principal, aflat la o distanță de 3,5m, în mai multe puncte prin benzi din oțel lat.
Dimensiunile prizei de dirijare vor fi:
• Se ia în considerare rezistența de dispersie a LEA racordate la stația electrică, considerând o rezistență de cca. 2 pentru o LEA cu relația:
Unde n reprezintă numărul LEA racordate in stație.
Obervație: prizele de pământ a1e stâlpilor terminali ai LEA 110kV se leagă printr-o priză orizontală din bandă de oțel, s =(40×5)mm, cu o priză de pământ a stației electrice.
Se determină valoarea rezistenței prizei de dispersie a stației electrice, prin considerarea tuturor prizelor de dispersie, calculate anterior, ca fiind în paralel:
• Se calculează coeficienții de atingere și pas, care se pot considera egali, având în vedere realizarea disipării potențialelor pe suprafața stației electrice exterioare, aplicând relația de mai jos:
Unde:
in care:
L – lungimea unei benzi a prizei de dirijare,
a – distanța între două benzi paralele vecine; a=4m;
n – numărul total de benzi paralele ale prizei de dirijare;
d – diametrul conductorului din care sunt realizate benzile; pentru conductor dreptunghiular d=b/2=0,02m;
h – adâncimea de îngropare a benzii de dirijare; h=0,6m.
• Se calculează valorile tensiunilor de atingere și de pas pentru priza de pământ proiectată și se compară cu valorile admisibile ale acestora:
Relațiile de mai sussunt respectate, deci priza de pământ corespunde din punct de vedere al protecției persoanelor.
8.2.2. Dimnesionarea instalației de legare la pământ a stației interioare
Instalația de legare la pământ a stației interioare este alcătuită din aceiași electrozi ca cea exterioară, deci nu mai trebuie calculate încă o dată valorile rezistenței de dispersie a electrozilor orizontali, deoarece sunt identice cu cele de la stația exterioară.
Calcularea rezistenței de dispersie a prizei de pământ se efectuează parcurgând următoarele etape:
• Se calculează sau se determină prin măsurători valoarea rezistenței prizei naturale, R cu R ;
• Se calculează rezistența de dispersie a unui electrod vertical, cu relația (8.3) și apoi rezistența de dispersie echivalentă a prizei verticale aplicând relația (8.6).
Numărul electrozilor verticali carese amplasează pe conturul principal al prizei de pământ:
n = = 26 electrozi
Coeficientul de utilizare al prizei verticale, dat în tabele (1RE-I -30-90) în funcție de n și l (distanța între electrozii verticali):
• Se calculează rezistența de dispersie a unui electrod orizontal (r ), cu relația (8.4) și apoi rezistența de dispersie echivalentă a prizei orizontale, aplicând relația(8.7).
Coeficientul de utilizare al prizei orizontale este dat în tabelele (1 RE- I -30- 90) în funcție de n și l (distanța intre electrozii orizontali): u =0,24.
• Se calculează rezistența de dispersie a prizei de dirijare a potențialelor, aplicând relația (8.8).
Priza de dirijare a potențialului se execută din electrozi orizontali îngropați la adâncimea h=0,6m; distanța medie între două benzi poate fi de (5÷10)m. Priza de dirijare a potențialelor se află la o distanță de 0,8 m de zidul clădirii.
Dimensiunile prizei de dirijare vor fi:
• Se ia în considerare rezistența de dispersie a LES racordate la stația electrică, considerând o rezistență de cca. 6 pentru o LES, cu relația (8.9):
• Se determină valoarea rezistenței prizei de dispersie a stației electrice, prin considerarea tuturor prizelor de dispersie, calculate anterior, ca fiind în paralel:
• Se calculează coeficienții de atingere și pas, care se pot considera egali, având în vedere realizarea disipării potențialelor pe suprafața stației electrice interioare, aplicând relația de mai jos:
Unde:
S – suprafața cuprinsă în interiorul prizei artificiale:
S =324m
D – diagonala suprafeței S;
• Se calculează valorile tensiunilor de atingere și de pas pentru priza de pământ proiectată și se compară cu valorile admisibile ale acestora:
Relațiile de mai sus sunt respectate înseamnă că priza de pământ corespunde din punct de vedere al protecției persoanelor.
8.3. Protecția instalațiilor electrice exterioare impotriva loviturilor directe de trăsnet
Protecția instalațiilor electrice împotriva loviturilor directe de trăsnet se aplică pentru stațiile electrice exterioare, în special pentru cele cu tensiunea nominală mai marede 20 kV.
Cea mai răspândită metodă utilizată este cea a paratrăsnetelor verticale. Aceste a sunt tije metalice din țeavă sau profile metalice ce se montează pe suporți de beton. Tijele metalice (elementele de captare) au lungimi de 1…6 m și se leagă la priza de pământ a stației electrice printr-o legătură din oțel lat.
Numărul și poziția paratrăsnetelor se determină astfel încât toată zona stației electrice să fie protejată împotriva loviturilor de trăsnet. Zona de protecție a stației electrice rezultă din compunerea zonelor individuale de protecție.
Zona de protecție a unui paratrăsnet vertical are forma din figura 8.4.
Fig. 8.4. — Zona de protecție a unui singur paratrăznet vertical
Unde:
h – înălțimea acrtivă a paratrăsnetului (înălțimea tijei metalice), h =(1…6) m;
h – inălțimea totală a paratrăsnetului;
h – înălțimea de protejat, [m], reprezintă Inălțimea cadrelor de susținere a barelor colectoare de supratraversare sau a cadrelor de ieșire (intrare) a LEA, aceasta rezultă din vederile laterale prin celulele stației exterioare; pentru 110 kV
h =(8 și 11,6) m;
r – raza zonei de protecție la înălțimea h , [m];
Raza zonei de protecție se calculează cu relația:
unde p reprezintă un coeficient care ține seama de înălțimea zonei de protejat și are următoarele valori, conform [11]:
Pentru stația exterioară de 110 kV se montează patru paratrăznete verticale pentru care avem:
h =8m;
h =6m;
deci h=14 m.
Dimensiunea razei de protecție va fi dată de relația:
Amplasarea paratrăsnetelor pe suporții din beton ai stației electrice se face astfel încât zona de protecție a fiecărui paratrăsnet să se poată compune cu zonele de protecție ale paratrăsnetelor vecine. Zona de protecție pentru patru paratrăsnete de inălțimi egale, este prezentată în figura 8.5.
Fig. 8.5 — Zonă de protecție pentru patru paratrăznete
În figura 8.5 notațiile au următoarele semnificații:
a – distanța între suporții de beton pe care sunt montate paratrăsnetele;
b – lățimea zonei comune de protecție;
D – diagonala patrulaterului format centrele zonelor de protecție a fiecărui paratrăznet.
Valoarea lățimii comune de protecție se poate calcula cu următoarea relație:
Avem ca distanțe între suporții de beton a =18m și a =21,5m. Pentru aceste valori calculăm valoarea lățimii comune de protecție:
Pentru determinarea zonei de protecție a mai multor paratrăsnete verticale de înălțimi egale se verifică acoperirea zonei de protecție compuse de către paratrăsnete, folosind relația:
Unde D este diagonala mare a patrulaterului în cazul a patru paratrăsnete.
Diagonala mare a patrulaterului este:
și este mai mică decât produsul 8 h p=6 8 1=48m, deci condiția (8.18) este îndeplinită.
CAP.9. CALCULUL TERMIC AL CURENȚILOR ÎN CONDUCTOARE SI APARATE ELECTRICE
9.1. Considerații generale
În stațiile de transformare există un număr mare de aparate electrice legate între ele după o anumită schemă, cu ajutorul unor conductoare izolate și neizolate. Datorită trecerii curentului electric prin aparate și conductoare, în acestea se dezvoltăenergie termică și datorită acesteia, ele se încălzesc. Se încălzesc nu numai elementele conductoare de curent, ci și izolația lor precum și părțile metalice vecine, construcțiile de susținere, carcasele aparatelor, flanșele izolatoarelor de trecere etc. Dacă aceste piese sunt executate din materiale magnetice și nu se iau măsuri speciale, ele se pot încălzi foarte puternic datorită pierderilor prin curenți turbionari și prin histerezis.
Una din condițiile cele mai importante pentru siguranța în exploatare a oricărei instalații electrice este alegerea corectă, din punct de vedere al încălzirii în diferite regimuri de funcționare a tuturor aparatelor precum și a părților conducătoare de curent care le leagă.
Se deosebesc două regimuri distincte de încălzire a conductoarelor și a aparatelor și anume:
➢Încălzirea de durată sub acțiunea curentului de lucru — este regimul normal, caracterizat prin echilibru termic, adică prin egalitatea dintre cantitatea de căldură degajată de curenții care stăbat conductoarele și cantitatea de căldură cedată de conductoare mediului înconjurător; în acest regim conductoarele ajung la o temperatură staționară determinată;
➢Încălzirea de scurtă durată — este datorată unui curent a cărui intensitate deășește simțitor intensitatea curentului de lucru; caracteristic unui astfel de regim este curentul de scurtcircuit; în acest regim temperatura conductorului creSe continuu pe toată durata scurtcircuitului; acest lucru se explică prin faptul că, curentul de scurtcircuit a cărui intensitatedepășește de mai multe ori intensitatea curentului de lucru, dezvoltă în conductor, în unitatea de timp, o cantitate mult mai mare de căldură decât curentul nominal și, în al doilea rând, prin faptul că datorită duratei scurte a fenomenului, nu pot fi îndeplinite condițiile unui nou echilibru termic.
Scopul tuturor calculelor de încălzire a conductoarelor și aparatelor electrice (al echipamentului electric) din stațiile de transformare este de a verifica dacă temperatura de încălzire a diferitelor elemente nu depășește limitele admisibile.
Pe baza unor numeroase experiențe s-a stabilit că aceste limite suntdiferite pentru regimul de încălzire de lungă durată și pentru regimul de încălzire de scurtă durată.
Când conductoarele ating temperaturi mai mari. O parte a căldurii este transmisă mediului, ceea ce are ca efect încetinirea sau 1imitarea creșterii în continuare a temperaturii. Cantitatea de căldură cedată mediului va fi cu atât mai mare cu cât temperatura conductoarelor va fi mai ridicată. in final, poate avea loc un echilibru termic, căruia îi corespunde o temperatură maximă a conductorului, când întreaga cantitate de căldură produsă de curentul electric în conductor este cedată mediului.
Legea creșterii temperaturii conductorului în condiții normale de răcire, în funcție de durata trecerii curentului este reprezentată în figura 9.1 prin curba OB. Temperatura maximă de încălzire poate fi atinsă după un timp t, care corespunde pe axa absciselor punctului D.
Aceeași temperatură maximă ar atinge-o conductorul, dacă acesta n-ar fi răcit, într-un timp T mult mai mic decât t. in acest caz, întreaga cantitate de căldură dezvoltată în conductor s-ar consuma pentru încălzirea acestuia și temperatura lui ar crește neîncetat, conform dreptei punetate OA.
Răcirea conductoarelor încălzite până la temperatura corespunzătoare unui regim de echilibru termic, în funcție de timpul măsurat de la întreruperea curentului, se produce după curba CD din figura 8.1. Dacă conductoarele sunt parcurse un timp t de un curent cu aceeași intensitate, însă în mod intermitent, atunci încălzirea lor va fi mai mică și curba de variație a temperaturii corespunde curbei frâne OE. in intervalul de timp , răcirea conductorului se face după legea reprezentată de curba CD, fără a se atinge temperatura initială. Variația temperaturii se produce analog pentru intervalele de timp următoare, , … , corespunzătoare stabilirii sau întreruperii curentului. in acest caz temperatura finală a conductorului va fi mai mică decât aceea pe care ar atinge-o acesta, dacă el ar fi parcurs permanent de un curent cu aceeași intensitate. Această constatare are o importanță practică deosebită, deoarece curenții admisibili din conductoare în cazul unor sarcini intermitente, pot avea intensități mai mari decât la sarcini permanente.
Când căldura produsă de curenții electrici cu anumite intensități crește continuu, depășind căldura cedată mediului, nu se poate stabili un echilibru termic, în acest caz, legea de variație a temperaturii este definită de curba OF, care arată că temperatura crește nelimitat, până când conductoarele se ard sau se volatilizează.
Fig. 9.1. — Curba de variație a temperaturii într-un conductor
Astfel, în cazul LEA, când temperatura conductoarelor depășește o anumită valoare, rezistența mecanică a acestora se micșorează, iar fenomenulde fluaj se accentuează, in aceste condiții, săgețile pot crește peste anumite valori, fapt care conduce la micșorarea distanțelor de izolație dintre faze, sau dintre faze și pământ.
Din aceste motive se impune verificarea 1a încălzire a conductoarelor liniilor electrice pentru determinarea intensităților admisibile ale curentului electric diferite regimuri de fucționare ale rețelelor electrice, precum și în anumite condiții de răcire a acestora — astfel încât temperaturile maxime admisibile ale conductoarelor și izolației să rămână sub anumite limite periculoase, care ar duce la degradarea sau distrugerea lor.
9.1.2 Temperaturile admisibile ale conductoarelor și aparatelor electrice
În orice regim de funcționare staționar sau tranzitoriu conductoarele LEA se încălzesc, atingând valori superioare temperaturilor mediului ambiant.
Conductoarele LEA se încălzesc datorită fenomenului Joule-Lenz și sub acțiunea razelor solare sau datorită altor corpuri înconjurătoare mai calde.
În regim staționar, la LEA se stabilizează în elementele lor componente o temperatură de regim, care are un rol important în studiul rețelelor electrice.
Temperaturile admisibile pentru conductoare sunt temperaturile maxime pentru care se garantează funcționarea sigură și de lungă durată a acestora, fără modificarea proprietăților lor electrice și mecanice.
Aceste temperaturi admisibile, standardizate atât pentru regim permanent, cât și pentru regim de scurtă durată, se stabilesc tinând cont de următorii factori:
• Proprietățile fizico-mecanice ale conductoarelor;
• Oxidarea conductoarelor și a legăturilor de contact;
• Proprietățile materialelor electroizolante.
Valorile temperaturilor maxime admisibile până la care materialele conductoare și izolante iși conservă proprietățile fizice și chimice pentru care ele au fost produse sunt verificate prin experiențe și sunt standardizate.
Deoarece aceste valori depind mult dedurata și de modul de funcționare în regimul considerat, ele poartă și denumirea de temperaturi de regim de funcționare.
În exploatarea rețelelor electrice se disting două regimuri de funcționare:
• De lungă durată, numit și permanent;
• De foarte scurtă durată și anume regimul de scurtcircuit.
Regimul de lungă durată:
• Pentru conductoare LEA: temperatura maximă admisibilă, conform STAS 8778-70, este de 70°C;
• Pentru conductoare neizolate temperatura maximă admisibilă este de 70°C.
Regimul de scurtă durată:
• Temperatura maximă admisibilă în timpul funcționării de foarte scurtă durată, de maxim 5 secunde (cazul scurtcircuitului) este de 160°C.
Prin temperatură maxim admisibilă de exploatare a conductorului se înțelege temperatura mediului ambiant plus supratemperatura datorată sarcini electrice. incălzirea excesivă este periculoasă pentru legăturile de contact întrucât proprietățile lor mecanice se modifică. De asemenea, acestea provoacă oxidarea intensă a contactelor, ceea ce conduce la mărirea rezistenței lor de trecere, rezultând deci o creștere și mai mare a temperaturii și deci distrugerea lor.
Cercetările au demonstrat că oxidarea foarte intensă are loc dacă temperatura trece de 70…75°C, de aceea normele prevăd temperatura limită pentru contacte de 75°c.
Pentru conductoarele LEA temperatura maximă admisibilă este de 70°C, pentru a evita mărirea rezistenței de contact în punctele de înădire a conductoarelor. Încălzirea admisibilă a conductoarelor izolate este limitată din cauza creșterii pierderilor în dielectric și a micșorării rigidității dielectrice odată cu creSerea temperaturii.
Pentru izolații organici s-a determinat experimental, că la fiecare creștere cu 8°C a temperaturii stabilizate, durata de viață se reduce la jumătate.
Pentru conductoarele cu izolație din cauciuc, temperatura maximă admisibilă este de 55°C, pentru a se evita degradarea izolației.
Temperaturile maxime admisibile la încălzirea de scurtă durată a părților aparatelor, prin curenții de scurtcircuit, au valori mai mari față de temperaturile admisibile la încălzirea de lungă durată (tabelul 9.1). Aceasta se explică prin faptul că procesul de încălzire a materialelor conductoare și izolante, precum și întregul proces de scurtcircuit se desfășoară într-un interval de timp foarte scurt (de la fracțiuni de secundă la câteva secunde), interval în care materialele date sunt în stare să suporte aceste creșteri de temperatură fără o modificare substanțială a rezistenței mecanice și rigidității dielectrice.
În calculele termice, temperatura este o mărire dată în limitele admise de norme pentru regimul de lungă și scurtă durată (tabelul 9.1), iar curentul admisibil (densitatea de curent) sau secțiunea necesară reprezintă o mărime care trebuie determinată.
Fabricile constructoare de aparate indică valoarea curentului de stabilitate termică (I ) sau coeficientul de stabilitate termic/(K ) la scurtcircuitele aparatelor.
În cazul în care se cunoaște curentul de stabilitate termică la un timp t[secunde] (I ), curentul de stabilitate termică I , pentru timpul t [secunde] se determină cu relația:
Pentru verificarea aparatelor la stabilitate termică la scurtcircuit este necesar a se compara cantitatea de căldură reală Q, care se degajă în aparat în timpul t cât durează scurtcircuit, cu cantitatea de căldură Q .
Cantitatea de căldură reală Q se determină cu relația:
Q reprezintă cantitatea admisibilă de căldură ce poate fi degajată în aparat în caz de scurtcircuit, fără ca temperature lui să depășească limita prescrisă și se determină cu relația:
Pentru ca un aparat să fie stabil termic la scurtcircuit trebuie să fie îndeplinită condiția:
În general, intensitățile maxime admisibile la conductoare sunt limitate de temperature maximă admisibilă a conductoarelor, care evident depinde de temperature mediului ambient. in standardele referitoare la caracteristicile electrice ale conductoarelor, se prescrie, de obicei, valoarea superioară limită a rezistivității electrice pentru o temperatură de 20°C.
În realitate, conductoarele LEA se pot găsi în condiții de temperatură foarte diferite, iar în caz de scurtcircuit pot apărea temperaturi de peste 100°C.
Deoarece rezistivitatea materialelor conductoare se modifică cu temperatura, rezultă că și rezistența conductoarelor in condiții reale de exploatare poate diferi mult de cea de la 20°C.
Tabelul 9.1
Obervații: temperatura mediului ambiant la care se referă supratemperaturile maxime este de +40°C.
Din cele de mai sus, rezultă relațiile pentru verificarea aparatelor la stabilitate termică, conform metodei timpului fictiv:
9.2. Calculul termic al curenților în conductoarele LEA 110 kV
Încălzirea conductoarelor rețelelor electrice datorită curenților care le parcurg constituie una din condițiile restrictive ale transportului de energie electrică în diferite regimuri de funcționare.
Datorită încălzirii excesive a conductoarelor LEA pot apărea următoarele fenomene:
➢ Rezistența mecanică a conductoarelor LEA se micșorează, iar fenomenul de fluaj se accentuează; în cazul unor încălziri de lungă durată, aceste fenomene pot apărea la temperaturi mai scăzute, sub 100°C;
➢ Săgețile conductoarelor LEA cresc peste valorile stabilite, putând conduce la micșorarea periculoasă a distanțelor, fie față de pământ, fie între conductoarele fazelor;
➢ Încălzirea clemelor de înădire a conductoarelor LEA poate constitui o importantă sursă de defect, constribuind la mărirea numărului de incidente în timpul exploatării.
De aceea, pentru LEA 110 kV, se consideră că în regim permanent de funcționare temperatura conductoarelor nu trebuie să depășească +70°C.
Pentru a nu se depăși această temperatură se recomandă ca intensitatea curentului ce trece prin conductor să se înscrie anumită limită.
Pentru conductoarele funie aluminiu-oțel cu secțiunea 150/25 mm2, intensitatea admisibilă de curent în regim permanent de funcționare, pentru o temperatură a mediului exterior de +25°C și o temperatură maximă de +70°C, este de 420A.
Calculul termic al conductoarelor LEA constă în determinarea valorilor maxime admisibile ale curentului electric ce le parcurge.
Caracteristicile fizico-mecanice ale sârmelor componente ale conductoarelor funcție pentru LEA 110 kV, conform [8], sunt prezentate în tabelul 9.2.
9.3. Calculul incălzirii conductoarelor LEA 110 kV în regim permanent de funcționare
Scopul acestui calcul efectuat asupra conductoarelor LEA 110 kV constă în verificarea, în diferite regimuri de sarcină, a creșterii temperaturii acestor conductoare, astfel încât proprietățile de rezistență mecanică și de conductivitate electrică să rămână apropiate de valorile prescrise de norme. Micșorarea rezistenței mecanice a conductorului reprezintă restricția principală în calculul încălzirii conductoarelor, întrucât aceasta determină direct siguranța în funcționare a liniei și durata ei de viață.
Calculul încălzirii se efectuează pentru o saricnă de lungă durată. Pentru această sarcină, se impune o temperatură maximă admisibilă, astfel încât pentru o perioadă apreciată ca durată de viață a liniei, caracteristicile fizico-mecanice ale conductorului să nu se schimbe esențial.
Pentru aprecierea posibilităților de supraincărcare a liniei, ca și durata admisibilă a acestor supraîncărcări, pentru o durată de viață convențional aleasă a conductoarelor, calculul trebuie efectuat în ipoteza unor regimuri de funcționare precalculate, pe baza unor curbe de încărcare zilnice tipizate.
În afară de ipotezele ce se fac asupra condițiilor interne legate de conductor, pentru efectuarea unui calcul corect de încălzire mai este necesară cunoașterea condițiilor de răcire date de mediul exterior. Acestea sunt determinate de temperatura mediului ambiant și de considerarea sau neglijarea în calcul a unei viteze a aerului din jurul conductorului (vântului). intr-un calcul mai exact în afara vântului mai trebuie luat în considerare si efectul radiației solare.
Având stabilite ipotezele de calcul asupra curbelor de sarcină, temperaturii maxime admisibile, condițiilor de răcire, pe baza ecuației echilibrului termic se poate face verificarea încălzirii conductorului.
Având stabilite ipotezele de calcul asupra curbelor de sarcină, temperaturii maxime admisibile, condițiilor de răcire, pe baza ecuației echillibrului termic se poate face verificarea încălzirii conductoarelor, metodele se potclasifica în trei categorii:
• Metode simplificate, în care se neglijeazăpierderile prin conducție în conductor, cum și aportul prin radiație al corpurilor exterioare;
• Metode mai exacte care țin seama de radiațiile solare și în care se evaluează mai precis coeficienții de radiație a conductorului și coeficientul de convecție a aerului;
• Metode care țin seama de influența temperaturii și a durate de încălzire a conductoarelor asupra micșorării în timp a rezistenței mecanice a acestuia.
9.3.1. Stabilirea ecuației de bilanț
Bilanțul energetic dintre cantitățile de căldură ce iau naștere în elementul de rețea parcurs de curent și cantitățile de căldură acumulată în conductor și cele care se degajă în mediul exterior, în unitatea de timp și pe unitatea de lungime, este dat de relația generală:
În care:
W – pierderile de energie transformate în căldură prin efect Joule-Lenz în conductoare (surse de energie);
W – pierderile de energie transformate în căldură în dielectricul conductorului izolat;
W – încălziri suplimentare datorate altor corpuri calde învecinate conductorului considerat;
W – cantitatea de căldură înmagazinată în conductor;
W – cantitatea de căldură transmisă mediului exterior prin convecție;
W – cantitatea de căldură transmisă mediului exterior prin radiație;
W – cantitatea de căldură transmisă prin conductibilitate în lungul conductorului și transversal pe acesta (în aer), către părțile mai reci.
Pentru analiza calitativă a fenomenelorse poate neglija cantitatea de căldură transmisă prin conductibilitate (W =0) considerând în același timp că valoarea rezistenței conductorului nu se modifică datorită încălzirii, în aceste dondiții, cantitatea de energie degajată de conductor rămâne constantă.
Deși cantitatea totală de energie degajată în conductor în unitatea de timp este constantă, repartiția acesteia între energia acumulată în conductor și cea cedată mediului exterior se modifică în timpul procesului de încălzire astfel:
• În primele momente, cea mai mare parte a căldurii degajate este acumulată în conductor, care iși ridică temperatura aproximativ liniar;
• Apoi treptat conductorul încălzindu-se, crește cantitatea de căldură cedată mediului exterior, astfel încât temperatura conductorului crește neliniar, mai încet decât în prima etapă;
• După un anumit interval de timp, caredepinde de condițiile de răcire și de materialul conductorului, întreaga cantitate de căldură este cedată mediului exterior, stabilindu-se un echilibru termic și atingându-se temperatura, de regim a conductorului .
În aceste condiții ecuația de bilanț energetic devine:
W =W +W
Dacă se consideră că schimbul de căldură cu mediul exterior se face prin suprafața laterală a conductorului și se explicitează ecuația bilanțului termic (9.8) în funcție de materialul, dimensiunile geometrice și de condițiile de răcire ale conductorului, se poate scrie astfel:
În care:
R – energia electrică pierdută (prin efectul Joule-Lenz) ca urmare a trecerii curentului prin conductor în intervalul de timp dt;
c – căldura inmagazinată in conductor pentru o variație d a temperaturii;
a – căldura transmisă mediului exterior prin radiație șo convecție în intervalul de timp dt;
R – rezistența conductorului;
c – căldura specifică a conductorului;
– masa specifică a conductorului, [kg/m ];
V – volumul de material al conductorului, [m ]
S – suprafața laterală a conductorului prin care se cedează căldura, [m ];
– coeficientul de transmisie a căldurii prin suprafața conductorului, [W/m°C];
– supratemperatura, are semnificația unei diferențe între temperatura oarecare a conductorului și temperatura mediului, [°C].
Dacă se imparte ecuația (9.9) cu , se obține:
În ultima relație se pot pune in evidență următoarele mărimi fizice:
• Constanta de timp a încălzirii: care depinde de condițiile de răcire ( ), de caracteristicile de material (c, ) și de dimensiunile geometrice ale conductoarelor (S, V).
• Supratemperatura de regim: [°C], care depinde de condițiile de răcire ( ), de materialul conductor ( ), de suprafața laterală a conductorului (S) și de pătratul curentului.
Ținând seama de notațiile făcute, ecuația diferențială (9.10) capătă forma:
Prin integrare pe intervalul =0 la =0 și de la 0 la t, se obține ecuația încălzirii conductorului, a cărei temperatură inițială este egală cu cea a mediului ambiant (curba de încălzire din figura 9.2):
Ecuația răcirii se poate obține pornind tot de la ecuația diferențială (9.10), în care se va considera R I =0, deoarece curentul este intrerupt și deci nu se mai dezvoltă putere in conductor. Prin integrare pe intervalul = la = și de la 0 la t, se obține ecuația răcirii conductorului, a cărui temperatură inițială este temperatura maximă (curba de răcire din figura 9.2):
Fig.9.2. — Variația în timp a temperaturi unui conductor în condiții normale de răcire
Subtangenta la curba de încălzire determină constanta de încălzire , care constituie timpul necesar conductorului, fără cedare de căldură, de a ajunge la încălzirea . De remarcat că în regimul permanent de funcționare conductorul ajunge la supratemperatura , teoretic după un timp infinit, practic după un interval t=(4…5) , care depinde de caracteristicile materialului, dimensiunile geometrice ale conductorului și de coeficientul de transmisie.
9.3.2. Determinarea curenților maximi admisibili
Principiul de bază al calculului presupune determinarea sarcinilor admisibile de curent, stfel încât temperatura conductoarelor liniilor electrice aeriene să nu depășească valoarea admisă pentru construcția dată a acestora, ținând seama de izolație de condițiile de răcire.
Dacă Q= , reprezintă cantitatea de căldură produsă într-un interval de timp t la trecerea curentului într-un conductor, atunci la stabilirea echilibrului termic ea va fi cedată mediului înconjurător în trei moduri: prin radiație, prin convecție și prin conducție.
Căldura cedată prin radiație într-un interval de timp t este dată de relația:
Unde:
S – suprafața conductorului prin care se evacuează căldura în mediul exterior;
– coeficientul de transfer al căldurii prin radiație;
– temperatura finală a conductorului, în °C;
– temperatura mediului exterior (inițială), în °C.
Coeficientul de transfer al căldurii prin radiație, depinde de condițiile de răcire ale conductoarelor și arată cantitatea de energie transmisă într-o secundă printr-o suprafață de 1 cm , când diferența de temperatură dintre conductor și mediul ambiant este de 1 °C. În general, valoarea lui se poate calcula cu relația:
Căldura cedată prin convecție în intervalul de timp t este calculată cu o relație analoagă cu (9.14):
Unde: este coeficientul decedare a căldurii prin convecție.
Coeficientul de transfer al căldurii prin convecție se poate determina pentru LEA in două situații și anume în regimul convecțiel libere când mediul inconjurător se consideră fără vânt și în regimul convecției forțate când se consideră mișcarea cu viteze de (0,5…0,6) m/s.
Regimul convecției forțate se folosește la verificarea in cazul funcționării conductoarelor cu incărcare sub sarcina normală. Valoarea acestuia se poate calcula cu relația:
unde:
v – viteza vântului, [m/s];
d – diametrul conductorului [mm].
Regimul convecției libere folosește 1a verificarea incălzirii conductoarelor la o funcționare critic cu suprasarcină. În acest caz coeficientul de transfer al căldurii se poate calcula cu relația:
Căldura cedată prin conducție se poate neglija, deoarece datorită faptului că conductivitatea termică a aerului este extreme de redusă, ea este foarte mică.
În starea de echilibru termic, cantitatea de căldură produsă prin trecerea curentului in conductor este egală cu cea degajată în mediul exterior. Ca urmare, se poate scrie:
De unde rezultă:
Unde:
R – rezistența pe fază a LEA;
– temperatura maximă admisibilă a conductorului în regim normal de funcționare;
Se vor calcula curenții maximi admisibili pentru conductoarele LEA 110 kV, de racord tip A1.OL 150/25 mm . Pentru acesta trebuie să calculăm valorile coeficienți1or de convecție radiație.
Utilizând relațiile (9.15) și (9.17) se trece la calculul coeficienților de convecție radiație. Coeficienții k' și k" au în funcție de valoarea medie a temperaturilor următoarele valori: k'=1,08 și k"=0,972.
Pentru conductoarele LEA 110 kV tip AlOL 150/25 mm:
• Coeficientul de convecție:
• Coeficientul de radiație:
Determinarea curentului admisibil in conductoarele LEA 110 kV de record și de repartiție, pentru temperatura maximă admisibilă =70°C, se face utilizând relația (9.20):
9.3.3. Determinarea încălzirii și a alungirii conductoarelor
La conductoarele funie din oțel-aluminiu, fiecare material are un coeficient de dilatare termică liniară diferit. Dacă fiecaredintre aceste materiale luate separat ar fi supus la o variație de temperatură , atunci s-ar dilata sau contracta liber, după coeficientul propriu de dilatare.
Fiind însă cuprinse într-un conductor unic apare o influență reciprocă la variații de temperatură.
O valoare caracteristică a temperaturii o constituie temperatura de fabricație a conductorului care, în hala de montaj, se consideră de 15°C. La aceasta temperatură atât firele din oțel, cât și cele din aluminiu au lungimi corespunzătoare coeficienților proprii de dilatare.
La temperaturi diferite de temperatură de fabricație, firele din aluminiu care sunt bine strânse peste inima de oțel nu pot aluneca peste aceasta și conductorul, în ansamblul său, se va dilata sau contracta cu aceeași lungime.
În această situație, atât în firele din oțel, cât și în cele din aluminiu vor apărea solicitări interne indiferent dacă conductorul este întins într-o linie sau se găsește infășurat pe tambur.
Dacă se modifică temperatura conductorului de la la , cu < . Alungirea reală a conductorului de oțel – aluminiu va fi:
Unde:
– alungirea conductorului în funcție de temperatură;
– coeficient de dilatare liniară;
– temperatura de confecționare a conductorului
– temperatura conductorului
L – lungimea conductorului.
LEA își modifică temperatura de lucru datorită încălzirii prin efect Joule-Lenz, în funcție de curentul de sarcină ce străbate conductoarele. Temperatura conductoarelor LEA poate fi determinată din relația (9.18) astfel:
Se vor calcula temperaturile conductoarelor LEA 110 kV tip Al OL 150/25 mm , funcție de curentul ce le străbate, cu ajutorul relației (9.21).
Se va pleca de la curentul cerut de consumator I =17A și se vor calcula valorile crescând curentul din 100 în 100% din acesta, până la valoarea maximă a curentului prin conductoare I =420A.
Se trece apoi la calculul alungirii conductoarelor liniei electrice în lungime de L=3km, utilizând relația (9.19), funcție de temperatura conductoarelor și de temperatura de confecționare a conductorului =15°C.
Se intocmește tabelul 9.3 ce cuprinde valorile temperaturilor precum și a alungirilor conductoarelor liniilor electrice.
Utilizând datele din tabelul mai sus amintit se vor ridica caracteristicile alungirii și încălzirii conductoarelor liniei electrice de racord, funcție de curentul care le parcurge. Caracteristicile (1) și (I) vor fi reprezentate în figura 9.3, cu evidențierea punctului al cărei coordonată pe ordonată corespunde curentului cerut de zona de consum.
Figura 9.3. — Caracteristica alungirii conductoarelor LEA 110 kV
Figura 9.4. — Curba de variație a temperaturii conductoarelor LEA 110kV
Urmărirea alungirii conductoarelor are un rol foarte important în proiectarea rețelelor electrice deoarece odată cu creșterea alungirii conductoarelor va crește și săgeata acestora, sporind pericolul de apariție a defectelor (punere la pământ, distrugere prin agățare a LEA) dar și pericolul accidentărilor umane (electrocutare prin atingere a conductoarelor LEA cu corpuri înalte). Variația temperaturii în conductoare este de asemenea foarte importantă. Variația temperaturii va duce 1a modificarea lungimii conductoarelor LEA. Deoarece punctele de suspensie ale conductoarelor sunt fixe, va rezulta o modificare a efortului în conductor. in anumite situații, aceste eforturi se adaugă eforturilor determinate de celălalte forțe îngreunând, astfel, condițiile de lucru ale conductoarelor.
Un alt efect al creșterii temperaturi în conductoare este modificarea lungimii conductorului, deci automat creșterea săgeții acestuia cu implicații în buna funcționare a liniei electrice.
9.3.4. Determinarea căldurii cedate de conductoare mediului inconjurător
Cantitatea de căldură cedată mediului înconjurător de către conductoarele liniei electrice de racord se compune din căldura cedată prin radiație și căldura cedată prin convecție.
Căldura cedată prin radiație se va calcula conform relației (9.13), iar căldura cedata mediului ambiant prin convecție se calculează conform relației (9.15).
Căldura totală cedată mediului înconjurător, pentru un curent ce variază de la valoarea curentului de sarcină cerut de zona de consum până la valoarea curentului maxim admisibil, se va calcula ca suma celor două călduri descrise în paragraful de mai sus.
Rezultatele obținute se trec tabelul 9.4.
Tabelul 9.4
Figura 9.5. — Curba de variație a clădirii cedate de conductoarele LEA 110 kV
S-a reprezentat grafic, in figura 9.5, variația căldurii cedate de conductoarele LEA 110 kV mediului inconjurător, funcție de curentul ce 1e străbate i funcție de temperatura conductorului la un anumit moment.
CAP.10 CONCLUZII
Conform temei de proiect s-a stabilit soluția de alimentarea cu energie electrică a unui consumator industrial cu puterea aparentă instalată S =3,3 MVA, amplasat într-o zonă ale cărei caracteristici au fost prezentate în introducere.
Proiectul, structurat în zece capitole, răspunde tuturor punctelor stabilite prin temă, soluția de alimentare cu energie electrică fiind rezultatul documentării din prescripții energetice și din activitatea curentă de exploatare a rețelelor electrice.
În introducere au fost prezentate datele energetice ale consumatorului și instalațiile existente în apropiere, informații de baza cărora s-au stabilit, în capitolul următor, variantele de alimentare cu energie electrică a consumatorului.
În cadrul capitolului 1 au fost stabilite soluțiile de alimentare cu energie electrică a acestui consumator si au fost analizate două variante:
Varianta A:
• Două LEA 110kV în lungime de 7 km, racordate la barele de 110 kV ale ST A 110/20 kV cu posibilități de rezervare reciprocă;
• Stație de conexiuni 110/20 kV amplasată în incinta consumatorului, alimentată prin LEA 110 kV;
Varianta B:
• Stație de transformare 110/20 kV amplasată la consumator, racordată în sistem "intrare-iesire" și echipată cu două transformatoare de putere 110/20 kV;
• LEA 110 kV dublu circuit, de racord a stației de transformare la rețeaua de repartiție 110 kV.
În capitolul 2 au fost dimensionate căile de curent și au fost alese transformatoarele de putere. Secțiunile alese pentru conductoarele LEA 110 kV au verificat condițiile de cădere de tensiune, valorile acestora încadrându-se în limitele maxime admise. De asemenea, tot în acest capitol, s-a stabilit regimul economic de funcționare a transformatoarelor de putere 110/20 kV — 6,3 MVA.
Calculul pierderilor de putere și energie în linii și transformatoare s-a realizat în capitolul 3, iar alegerea variantei optime de alimentare cu energie electircă pe baza criteriului tehnico-economic s-a efectuat în capitolul 4. S-a ales varianta A deoarece, în acest caz, C.T.A au valoarea mai mică.
Calculul curenților de scurtcircuit s-a realizat in capitolul 5, pentru scurtcircuit pe barele de 110 kV 20 kV ale stației consumatorului. in funcție de valorile curenților de scurtcircuit, în capitolul 6, s-a ales aparatajul de comutație ce va echipa stația consumatorului, aparataj care a fost verificat din punct devedere termic si electrodinamic.
Pentru compensarea puterii reactive a fost dimensionată o baterie de condensatoare, în capitolul 7, alcătuită din 12 elemente legate în dublă stea, amplasată pe barele de 20 kV ale stației consumatorului. intre cele două stele s-a procedat la montarea unui transformator de curent în vederea realizării unei protecții diferențiale in cazul unor defecte interne. Oportunitatea îmbunătățirii factorului de putere, respectiv compensarea puterii reactive, este analizată datorită faptului că funcționarea la un factor de putere redus duce la creSerea pierderilor de putere și energie electrică.
În capitolul 8, pentru protecția personalului stației impotriva electrocutărilor și supratensiunilor, s-a dimensionat o priză de pământ pentru stația consumatorului. Rezistența de dispersie a prizei de pământ este Rp=0,419Q, valoare care se situează sub limita admisibilă pentru stații (0,5Q).
Priza a fost verificată la stabilitate termică, iar valorile tensiunilor de atingere și de pas nu depășesc limitele admise de normele în vigoare, deci instalația a fost corect dimensionată.
Capitolul 9 prezintă calculul termic al curenților in conductoarele LEA 110 kV, ținând cont de temperaturile admisibile ale conductoarelor. Inițial s-a realizat o analiză a variației temperaturii in conductoare față de curentul care le străbate și s-a calculat alungirea acestora în funcție de temperatură, creșterea săgeții putând duce la scăderea siguranței in alimentare, creșterea proiectelor de accidente datorită apropierii periculoase a conductoarelor față de sol.
În concluzie, alimentarea consumatorului prezentat se va realiza printr-o stație de transformare 110/20 kV, racordată la LEA 110 kV de repartiție prin intermediul unei LEA 110 kV d.c., în sistem, "intrare-ieșire".
Soluția aleasă este soluția cea mai bună din punct de vedere tehnic și economic.
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Alimentarea cu Energie Electrica a Unui Consumator Industrial (ID: 161816)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.