Metode de Producere Si Transportul Energiei Electrice

CAP.I. METODE DE PRODUCERE și TRANSPORTUL ENERGIEI ELECTRICE

I.1. Producerea energiei electrice – Metode claisce

Energia hidro

Energia hidro este cea mai veche formă de energie primară, utilizată pentru a obține energie mecanică, iar în prezent este utilizată pentru producerea energiei electrice cu ajutorul turbinelor hidraulice. Apă curgătoare cu o diferența de nivel, poate produce energie electrică în funcție de condițiile de instalare ale turbinei (cădere,debit).

O hidrocentrala este o centrală electrică folosită pentru a transformă energia mecanică produsă de apă în energie electrică.

Prin amenajarea hidroenergetica se înțelege complexul de construcții și instalații cu ajutorul cărora se realizează concentrarea energiei hidraulice a unui curs de apă și transformarea ei în energie electrică.

Printr-un baraj de acumulare a apei pe cursul unui rău unde poate fi prezența și o cascadă se realizează acumularea unei energii potențiale, trasformată în energie cinetică prin rotirea turbinei hidrocentraleia[15].

Această mișcare de rotație va fi transmisă mai departe printr-un angrenaj de roți dințate generatorului de curent electric, care prin rotirea rotorului generatorului într-un câmp magnetic, va transformă energia mecanică în energie electrică.

Potențialul hidroenergetic

Energia de origine hidro face parte din categoria energiilor regenerabile.

Prin potențial hidroenergeticse înțelege energia echivalentă corespunzătoare unui volum de apă într-o perioada de timp fixată (1 an) de pe o suprafață (teritoriu) precizată.

Potențialul hidroenergetic se poate clasifică în mai multe categorii:

-potențial hidroenergetic teoretic (brut):

de suprafață;

din precipitații;

din scurgere;

-potențial teoretic liniar (al cursurilor de apă);

-tehnicamenajabil;

-economic amenajabil;

-exploatabil.

Elementele unei amenajări hidroenergetice :

-polder,

-lac redresor,

-lacul de acumulare

-nodul de presiune-care cuprinde:

-castelul de echilibru care atenuează șocul loviturii de berbec cauzate de închiderea bruscă a vanei de admisie la turbină[3];

-galeria/canalul/conducta de aducțiune care are rolul ducerii apei către turbină, până întâlnește conducta forțată.

-casă vanelor

-conducta forțată care este practic “drumul spre turbină” și face parte din circuitul hidralic intern al turbinei;

-racordul dintre conducta forțată și cetrala se face direct, în cazul montării unei singure turbine sau prin intermediul unui distribuitor în cazul mai multor turbine.

-centrală hidroelectrica- este clădirea care adăpostește echipamentele mecanice și electrice ale amenajării:

-turbină și elementele sale auxiliare;

– generatorul cu elementele sale auxiliare;

-canal de fugă- conduce apă înapoi pe circuitul sau natural.

Amenajări hidroenergetice gravitaționale- valorifica potențialul natural al unui curs de apă:

-tip baraj- cu centrală în frontul barajului

– CHE Porțile de Fier I și ÎI, CHE de pe Olt etc;

-cu centrală la piciorul barajului;

-cu derivație (aducțiune):

-sub presiune (galerie/tunel hidrotehnic)

-cu nivel liber (canal hidroenergetic)

-tip de baraj cu derivație.

Amenajări hidroenergetice cu acumulare prin pompare

-valorifica potențialul artificial prin pomparea apei înapoi în lac.

Porțile de fier II.Amenajare hidroenergetica ,cu centrala în frontul barajului

Clyde-Noua Zeelanda,Centrala la piciorul barajului.

Centrală cu derivație sub presiune

Se utilizează la amenajările de înaltă cădere și debit mic, fiind specifice zonelor montane.

Clasificarea barajelor:

-baraj de acumulare de mare înălțime (Bicaz, Vidraru-Argeș, Marișelu- Someș,Vidra-Lotru)

-baraj de retenție(de derivație)- de mică înălțime

După structura:

-fixe- baraje de înalta cădere, cu acumulări mari;

-mobile- baraje de mică înălțime, formate din elemente fixe și mobile, construite în zonele de ses ale râurilor.

După materialul din care sunt executate:

-din lemn;

-din pământ;

-din arocamente;

-din beton sau beton armat;

-metalice fixe sau mobile.

După modul în care se preiau diversele solicitări și le transmit terenului de fundație:

-baraje de greutate- construcții masive din beton armat care transmit terenului de fundație sarcinile preluate din diversele încărcări cu ajutorul greutății proprii;

-baraje arcuite- barajele la care presiunea hidrostatică a apei (principala încărcare) este preluată de către o membrană din beton, de grosime variabilă, curbată în plan orizontal cât și în plan vertical, și care lucrează că o structura complexă în spațiu.

-baraje evidate și cu contraforți- barajele la care golurile provenite din lărgirea rosturilor devin mult mai mari și care preiau presiunea apei și din contraforți,pe care se reazemă elementele de retenție și care transmit sarcina terenului de fundație;

-baraje descompuse- baraje alcătuite din elemente de retenție de diferite forme (plăci, bolți, cupole etc), care preiau presiunea apei și din contraforți, și pe care se reazemă elemente de retenție și care transmit sarcina terenului de fundație[5][8].

-baraje arcuite- barajele la care presiunea hidrostatică a apei (principala încărcare) este preluată de către o membrană din beton, de grosime variabilă, curbată în plan orizontal cât și în plan vertical, și care lucrează că o structura complexă în spațiu.

-baraje evidate și cu contraforți- barajele la care golurile provenite din lărgirea rosturilor devin mult mai mari și care preiau presiunea apei și din contraforți,pe care se reazemă elementele de retenție și care transmit sarcina terenului de fundație;

-baraje descompuse- baraje alcătuite din elemente de retenție de diferite forme (plăci, bolți, cupole etc), care preiau presiunea apei și din contraforți, și pe care se reazemă elemente de retenție și care transmit sarcina terenului de fundație.

După modul de descărcare al apelor mari din amonte în aval:

-baraje deversoare (baraje din beton, de diferite tipuri);

-baraje nedeversoare (barajele din materiale locale).

Alegerea amplasamentului barajelor se face ținând seama de o serie de condiții:

-condiții topografice și morfologice;

-condiții geologice ale rocii de fundație;

-condiții hidrologice;

-condiții geografice.

Centrale hidroelectrice

Centrală hidroelectrica reprezintă ansamblul de clădiri și echipamente electrice și mecanice din cadrul unei amenajări hidroenergetice[7], în care se realizează efectiv transformarea energiei potențiale și cinetice a apei în energie mecanică și apoi în energie electrică.

Centrală hidroelectrica cuprinde din punct de vedere constructiv următoarele părți:

-sala mașinilor: turbinele și generatoarele, sau numai generatoarele;

-infrastructură-susține echipamentul principal și turbinele;

-sala de comandă-cuprinde aparatajul de comandă, control și semnalizare;

-încăperi anexe și postul de transformare.

Centralele hidroelectrice se pot împărți,după cădere, în:

-centrale de joasă cădere(H < 15m);

-centrale de cădere mijlocie(15m < H < 50m);

-centrale de mare cădere( H > 50m).

Tipuri de centrale hidroelectrice clasificate după cădere

-de cădere joasă

-de cădere mijlocie

-de mare cădere

În funcție de tipul de energie hidraulică pe care o prelucrează,centralele pot fi:

-centrale hidroelectrice gravitaționale;

-centrale hidroelectrice cu acumulare prin pompare;

-centrale mareomotrice;

-centrale care utilizează energia valurilor.

În funcție de amplasamentul centralei, centralele hidroelectrice se împart în:

-centrale de baraj;

-centrale amplasate la piciorul barajului;

-centrale pe derivație.

După poziția centralei față de suprafață terenului, centralele hidroelectrice pot fi:

-centrale aeriene;

-centrale subterane:

-subterane propriu-zise;

-în versant;

-îngropate;

-centrale semi îngropate;

-centrale acoperite.

Din punct de vedere al modului în care se efectuează consumul de energie, consumatorii pot fi :

-constanți-asigura o cerere constanța de energie într-un an (marii consumatori industriali);

-sezonieri-cererea se face în anumite perioade ale anului (irigațiile și alți consumatori agricoli);

-variabili-cererea de energie electrică există pe parcursul întregului an, dar este variabilă sau apare în perioade scurte de timp (iluminat urban, încălzirea electrică, transportul în comun)[13].

• Curbă de sarcina și încadrarea centralelor în cadrul acesteia

Curbă de sarcina este variația sarcinii electrice într-un timp specificat, de obicei o zi (24 ore).

Sarcina electrică reprezintă energia necesară a fi alocată către consumatorii sistemului energetic.

Problema o reprezintă cantitatea de energie momentană necesar a fi produsă pentru a satisface în orice moment cererea.

În cazul în care cantitatea de energie cerută de consumatori este mai mare sau mai mică decât cantitatea de energie livrată de producători, în rețea apar perturbatii de tensiune și de frecvența, care pun în pericol funcționarea cosumatorilor și conduc la avarii grave ale acestora.

Cantitatea de putere livrată (produsă) trebuie să fie egală, în orice moment cu cantitatea de energie cosumata. Pentru a se putea realiza acest lucru, curbă de sarcina a fost împărțită în mai multe zone de consum[20]:

-zona de baza- este zona care trebuie asigurată în permanentă; aici producătorii de energie sunt centralele termoelectrice și nuclearoelectrice (centrale cu flexibilitate scăzută pornire/oprire, care au o funcționare continuă, de obicei cu o putere constanța- CNE, CTE, CHE pe firul apei

-zona puterilor variabile- centralele au o funcționare intermitentă (cu întreruperi) și chiar în timpul funcționarii puterea poate fi variabilă. Cu cât zona de încadrare se deplasează spre vârf, cu atât se reduce durata de funcționare zilnică. În zona puterilor variabile avem două subzone:

-zona de semivarf-funcționarea se întrerupe o singură dată;

-zona de vârf-funcționarea se face cu două întreruperi.

În România, la acoperirea necesarului de putere de reglaj secundar participa și opt hidrocentrale mari:

-Porțile de Fier I,Stejarul,Corbeni,Ciunget,Galceag,Susag,Mariselu,Retezat. -puterea lor instalată însumează 2845 MW.

Curbă zilnică de consum prezintă trei zone distincte astfel:

-zona de vârf;

-zona intermediară;

-zona de gol.

I.2. Sisteme electroenergetice

Un sistem electroenergetic este constituit din surse de energie electrică, rețele electrice de transport și distribuție, precum și consumatori de energie electrică[17].

Introducere

 Ansamblul de instalații, construcții și echipamente care are drept scop producerea energiei electrice constituie o centrală electrică.

Prima centrală electrică publică din lume, construită de Edison, a fost pusă în funcțiune la New York, pe 3 septembrie 1882. În același an, la dată 22 octombrie 1882, a fost pusă în funcțiune centrală electrică din București, pentru iluminatul incintei Gării de Nord. Prima producție de energie electrică trifazată din țară și pentru prima dată la frecvența de 50 Hz a avut loc spre sfârșitul anului 1898, cu ocazia punerii în funcțiune a CHE Sinaia, 4×250 kW .

Că surse de energie electrică, în centrale se folosesc generatoare sincrone, care produc energie electrică sub formă de curent alternativ trifazat la 50 Hz sau 60 Hz. Cu câteva excepții mai apropiate (Arabia Saudită) și a continentului nord-american, unde este generalizată utilizarea frecvenței de 60 Hz, frecvența curentului este 50 Hz. Motorul primar de antrenare a arborelui (deci cel care furnizează energia mecanică la arbore) poate fi, de exemplu, o turbină cu abur, cu gaze sau hidraulică.

COMPUNEREA SCHEMELOR CIRCUITELOR PRIMARE

NOȚIUNI GENERALE

Prin schemă se înțelege un desen care arată modul în care diferite părți ale unei rețele, instalații, ale unui aparat sau ale unui ansamblu de aparate sunt funcțional conectate între ele. Clasificarea schemelor electrice se poate face după mai multe criterii, cum ar fi:

• numărul de conductoare reprezentat pe desen:

 scheme monofilare: indiferent de numărul de conductoare ale circuitului se reprezintă numai unul, celelalte fiind echipate identic;

 scheme multifilare: dacă echiparea fazelor este diferită, se reprezintă toate conductoarele circuitului;

• scopul urmărit prin reprezentare[14]:

 scheme explicative ( principiale sau detaliate );

 scheme de conexiuni, destinate realizării fizice și verificării conexiunilor;

 scheme sinoptice, reprezentând starea reală a aparatelor de comutatie la un moment dat;

 planuri de amplasare, care oferă indicații precise despre amplasarea părților unei instalații.

Din punct de vedere al funcției îndeplinite, circuitele electrice pot fi:

• circuite primare: sunt circuite prin care se realizează tranzitul de energie de la surse către consumatori (de exemplu circuite de generator, transformator, linie electrică, cupla etc.);

• circuite secundare: sunt circuite care contribuie în diferite feluri la bună funcționare a circuitelor primare (circuite de măsurare, protecție, comandă, control, semnalizare etc.).

Legătură între circuitele primare și cele secundare se realizează prin intermediul transformatoarelor (senzorilor) de curent și de tensiune[21].

FUNCȚIILE APARATELOR ELECTRICE

Aparatele electrice utilizate în instalații pentru echiparea circuitelor electrice îndeplinesc diferite funcții, că spre exemplu, de:

• protecție, respectiv de eliminare / limitare a scurtcircuitelor (de exemplu întreruptoare, siguranțe fuzibile, bobine limitatoare) sau a supratensiunilor (eclatoare, descărcătoare);

• supraveghere împotriva depășirii unor valori admisibile ale tensiunii, curentului, temperaturii etc. (spre exemplu, transformatoare de măsurare sau senzori de curent / tensiune); aceste aparate pot provoca o semnalizare (alarmă) sau o întrerupere de circuit (relee, declanșatoare);

• comutatie: comandă voluntară (manuală sau automată) de închidere, respectiv, deschidere a unui circuit în condiții normale de exploatare (de exemplu, întreruptoare, separatoare de sarcina, contactoare);

• izolare (separare) a unei părți de instalație, pentru a se putea lucra fără risc de electrocutare, în condițiile menținerii restului instalației sub tensiune (de exemplu, separatoare obișnuite sau de sarcina, întreruptoare debrosabile)[28].

În cazul unui scurtcircuit pe un circuit electric se impune deconectarea să rapidă, pentru a se reduce solicitările echipamentelor și totodată, pentru a se asigura continuitatea în funcționarea altor circuite racordate la același sistem de bare colectoare. De asemenea, în exploatare este de dorit să existe posibilitatea conectării și deconectării fiecărui circuit electric în parte, astfel încât aceste manevre să nu conducă la întreruperea altor circuite.

Elementul de protecție, cu care trebuie prevăzut orice circuit electric, are drept scop principal detectarea sensibilă, rapidă și sigură a avariei, precum și deconectarea selectivă a elementului avariat, în vederea evitării extinderii avariei și revenirii cât mai rapide la regimul normal de funcționare pentru restul sistemului. O unitate de protecție are deci următoarele funcții principale:

 supravegherea permanentă a diverșilor parametri pe circuit;

 intervenția în situații anormale;

 transmiterea (uneori) de informații pentru exploatarea rețelei.

Informația necesară pentru comandă de închidere/deschidere a aparatajului de comutatie în regim autocomandat provine de la transformatoarele de măsurare (curent și tensiune), convenționale sau neconvenționale, care mai asigura și informația directă privind valoarea curentului și tensiunii, cea necesară pentru contorizare-înregistrare și, eventual, cea necesară implementării funcțiilor SCADĂ[29] (Supervizory Control And Dată Acquisition). De asemenea, transformatoarele de tensiune constituie și sursă de alimentare a dispozitivelor mecanice de acționare, prin asigurarea încărcării cu energie a unor acumulatoare (în perioadele de funcționare normală), pentru alimentarea acelorași dispozitive mecanice în absența tensiunii[19].

Diversele funcții îndeplinite de aparatele electrice pe un circuit pot fi realizate individual, utilizând pentru fiecare dintre ele câte un aparat specializat (reunirea mai multor funcții presupune folosirea mai multor aparate pe circuit) sau prin asocierea mai multor funcții pe un aparat (aparate cu funcțiuni multiple). Tendința actuală în domeniul stațiilor electrice este de a se integra în construcția echipamentelor de baza (transformator de putere, întreruptor) celelalte echipamente specifice.

ECHIPAREA CIRCUITELOR PRIMARE RACORDATE LA UN SISTEM DE BARE COLECTOARE

Partea unei stații care cuprinde ansamblul de echipamente, materiale, aparate electrice și dispozitive amplasate într-un singur loc, care au un scop funcțional determinat pentru un anumit circuit, constituie o celulă electrică.

Un sistem de bare colectoare reprezintă un nod de conexiuni electrice, extins în spațiu pentru a se crea condițiile constructive necesare racordării mai multor celule dintr-o stație electrică.

 Montajul aparatajului electric în celulă se poate face fix sau debrosabil. Montajul fix prezintă avantajul unei realizări simple, fără aparate sau blocaje speciale, dar conduce la dimensiuni mai mari ale celulelor. Montajul debrosabil realizează, în primul rând, o importantă reducere a volumului celulelor, deoarece este eliminat spațiul din interiorul acestora destinat montajului sau reviziilor. Se reduce, de asemenea, timpul de înlocuire a unor aparate defecte și cel necesar reviziilor, prin folosirea unui cărucior/casetă de rezervă. Utilizarea sistemului debrosabil permite realizarea unei construcții fără separatoare, ceea ce conduce la reducerea greșelilor de manevrare cu separatorul (în general, însoțite de arc electric liber) și contribuie sensibil la compactarea celulei. Este favorizată, de asemenea, utilizarea elementelor prefabricate. Construcțiile debrosabile implică însă blocaje speciale pentru interzicerea deplasării căruciorului atunci când întreruptorul și eventual separatoarele nu sunt în poziție „deschis”. Sunt necesare, de asemenea, măsuri speciale de protecție împotriva atingerii elementelor rămase sub tensiune după scoaterea căruciorului[1].

 În construcția stațiilor moderne, tendința generală este de a utiliza echipamente prefabricate, acestea prezentând avantaje cunoscute de multă vreme cum ar fi de exemplu: reducerea investițiilor în partea de construcție a stațiilor, economie de timp și manoperă la montaj, înlocuire rapidă etc. Fiind un tot unitar realizat la scară industrială, care se livrează complet pregătit și încercat electric, celulele prefabricate beneficiază de un control de calitate care le garantează siguranță și securitatea în funcționare. În plus, cerințele mereu în creștere privind ameliorarea calității distribuției de energie electrică conduc spre descentralizarea automatizărilor și dezvoltarea dispozitivelor de teleconducere, a căror realizare industrială permite creșterea sensibilă a fiabilității și scăderea costurilor. Progresele din domeniul aparatajului electric, precum și a echipamentelor de control-comandă, au condus la o reducere sensibilă a dimensiunilor celulelor prefabricate, la o diminuare a cheltuielilor de punere în funcțiune și de exploatare (s-a ajuns la soluții care nu necesită practic întreținere), la creșterea duratei de viață a instalațiilor, precum și la o creștere a fiabilității sistemului pe ansamblu.

În continuare sunt prezentate diferite module de echipare electrică pentru principalele tipuri de circuite utilizate în instalațiile electrice, avantajele sau dezavantajele fiecărei variante de echipare, precum și domeniile lor de utilizare.

LINII ELECTRICE

Liniile electrice reprezintă lături în cadrul rețelelor electrice, prin care se realizează evacuarea puterii produse în centrale electrice, transportul sau distribuția energiei electrice.

Circuite de linie de joasă tensiune

Astfel de circuite distribuie energia electrică de la tablourile generale ale posturilor de transformare spre locurile de consum (mici consumatori din domeniul public sau abonați la joasă tensiune).

În figura I.1 sunt prezentate câteva variante de echipare a unor circuite de linie cu tensiunea sub 1 kV. Variantele de echipare a, b, c se caracterizează prin faptul că protecția circuitului în caz de scurtcircuit este realizată rapid și relativ ieftin utilizând siguranțe fuzibile. Printre dezavantajele protecției prin fir fuzibil se pot menționa:

• sensibilitate mai redusă a acestui mod de protecție (în unele cazuri, valoarea curenților de sarcina în regim normal de funcționare este apropiată de cea a curenților de scurtcircuit monofazat, protecția prin siguranțe fuzibile fiind deci insensibilă la aceștia din urmă);

• din cauza dispersiei relativ mari a caracteristicilor de topire a fuzibilelor, siguranță în funcționare a siguranței este mai redusă, comparativ cu alte aparate de protecție; din aceeași cauza, siguranțele fuzibile nu sunt indicate pentru protecția în regim de suprasarcină, (mai ales la suprasarcini mici de circa 1,1  1,5 În);

• există riscul că fuzibilul siguranței să se ardă doar pe una dintre faze, ceea ce poate conduce, în cazul consumatorilor trifazați, la regimuri de funcționare nesimetrice;

• cu ajutorul siguranțelor fuzibile nu pot fi făcute manevre de comutatie decât la sarcini foarte mici.

Prin urmare, scheme de echipare a liniilor în varianta a se utilizează în cadrul rețelelor de alimentare radială a unor consumatori monofazați, fără suprasarcini și fără comutații frecvente.

Fig. I.1. Variante de echipare a liniilor de joasă tensiune

Comutatia circuitului (manevre în regim normal de funcționare) se îmbunătățește în varianta b, prin introducerea unui întreruptor cu pârghie, cu ajutorul căruia se poate conecta/deconecta manual circuitul de linie la/de la barele colectoare ale tabloului de distribuție. În varianta c, utilizarea separatorului de sarcina asigura comutatia circuitului (eventual, prin telecomanda), adăugând în plus și funcția de separare (izolare)[10].

În varianta d, utilizarea întreruptorului automat asigura:

• protecția la scurtcircuit (de regulă, prin intermediul unui declanșator electromagnetic, care în caz de scurtcircuit acționează mecanic direct asupra contactelor principale ale întreruptorului);

• protecția la suprasarcină (de regulă, prin intermediul declansatorului termic, care în caz de suprasarcină acționează mecanic direct asupra contactelor principale ale întreruptorului);

• comutatia circuitului (conectare/deconectare în regim normal de funcționare).

Întreruptoarele automate sunt aparate complexe, care necesită periodic lucrări de întreținere/reparație. Pentru a se putea lucra la întreruptorul liniei cu menținerea continuității în alimentare a altor circuite racordate la același sistem de bare colectoare, în schemă se introduce separatorul față de barele colectoare (Sb). În cazul unei linii alimentate de la ambele capete (rețele buclate) este necesară introducerea pe circuit a unui separator de linie (Sl), care permite efectuarea de lucrări la întreruptor fără scoaterea circuitului de linie de sub tensiune[10].

Circuite de linie de înalta tensiune

Astfel de circuite realizează transportul/repartiția între nodurile (stațiile) SEN, precum și distribuția energiei electrice către locurile de consum (distribuție publică sau către abonați).

În toate variantele de echipare prezentate în figura 4.2 apare separatorul față de barele colectoare (Sb), având că funcție principala izolarea echipamentelor electrice din aval (în cazul efectuării unor lucrări de revizie/reparație) față de tensiunea barelor colectoare. Din motive de electrosecuritate, separatoarele sunt astfel construite încât, la un separator deschis, nivelul de izolație dintre contactele unei faze este mai mare decât nivelul de izolație între fiecare contact și pământ. Separatorul este un aparat de comutatie care, spre deosebire de întreruptor, nu este prevăzut cu dispozitiv de stingere a arcului electric. Cu separatorul sunt permise doar manevre de comutatie sub curent neglijabil (0,5 A pentru separatoare cu tensiuni nominale de până la 400 kV inclusiv). În general, pentru a se evita consecințele deosebit de grave ale arcului electric care ar apărea în cazul unor manevre greșite, separatoarele electrice se prevăd cu diferite sisteme de blocaj.

Variantele de echipare a, b se caracterizează prin faptul că protecția circuitului în caz de scurtcircuit este realizată rapid și cu investiții relativ reduse utilizând siguranțe fuzibile. Luând în considerare avantajele/dezavantajele siguranțelor fuzibile prezentate în paragraful precedent, astfel de scheme se utilizează, în general, pentru distribuție publică la medie tensiune. În varianta a, separatorul Sb permite doar comutatia liniei în gol. În varianta b, utilizarea separatorului de sarcina asigura comutatia circuitului (eventual, prin telecomanda), adăugându-se în plus și funcția de separare (izolare)[4].

Pentru delimitarea unei zone de lucru într-o instalație electrică, normele de protecție a muncii (NPM) impun legarea instalației la pământ și în scurtcircuit, pe toate părțile de unde ar putea apărea tensiune.

Deși delimitarea zonei de lucru presupune în prealabil scoaterea acesteia de sub tensiune și separarea (vizibilă), există pericolul reaparitiei tensiunii, de exemplu, că urmare a unor manevre greșite, sarcini capacitive, curenți induși, fenomene atmosferice. Scurtcircuitarea și legarea la pământ a unei părți de instalație se poate face cu legături:

• portabile: scurtcircuitoare mobile, construite pentru LEA sau pentru stații și posturi de transformare (clasice sau cu puncte fixe de aplicare);

• fixe: cuțite de legare la pământ (CLP); legăturile fixe sunt de preferat dacă:

 distanțele de izolație ale instalației sunt mari, instalarea scurtcircuitoarelor mobile fiind dificil de realizat (Un  220 kV);

 există pericolul unor apropieri periculoase de părți aflate sub tensiune;

 există pericolul unor curenți mari de scurtcircuit (peste 40 kA).

Conform PE 101, se montează cuțite de legare la pământ:

• pe toate liniile electrice de înalta tensiune (figura I.2);

• pe barele colectoare și de ocolire cu Un  110 kV;

• pentru legarea la pământ a oricărei porțiuni cuprinsă între aparate de conectare (întreruptoare, separatoare) pentru Un  220 kV.

Sub aspect constructiv, cuțitele de legare la pământ se pot realiza că un aparat independent sau pot fi asociate altui aparat (de exemplu, unui separator care, în afară cuțitelor sale principale, mai este prevăzut cu unul sau două cuțite de legare la pământ)[9].

În variantele de echipare c și d , protecția circuitului în caz de scurtcircuit sau suprasarcină este realizată mai scump, dar mai sigur, prin utilizarea unui întreruptor în asociere cu dispozitive de detectare (transformatoare sau alți senzori de curent și tensiune), de protecție și de control-comandă, precum și de acționare. În plus, întreruptorul asigura comutatia circuitului (conectare sau deconectare în regim normal de funcționare).

Separatorul de linie (Sl) permite efectuarea de lucrări la întreruptor fără scoaterea circuitului de linie de sub tensiune.

Fig. I.2. Variante de echipare a liniilor de înaltă tensiune.

GENERATOR ȘI BLOC GENERATOR-TRANSFORMATOR

Din motive economice, tensiunea la bornele generatoarelor sincrone folosite în centrale electrice este o valoare din gama de „medie tensiune” care nu corespunde întotdeauna cu una dintre valorile normate prin SR-CEI 38 (tabelul I.1). În astfel de cazuri, racordarea generatoarelor la rețeaua electrică se face prin intermediul unui transformator ridicător.

Generatorul și transformatorul de racordare la rețea constituie un bloc energetic, caracterizat prin aceea că orice defecțiune la unul dintre elemente scoate din funcțiune întreg ansamblul. În tabelul I.1 sunt prezentate cazurile cele mai uzuale întâlnite în centralele sistemului energetic național românesc. Protecția circuitelor de generator sau bloc generator-transformator în caz de scurtcircuit sau suprasarcină se realizează cu ajutorul unui întreruptor în asociere cu dispozitive de detectare (transformatoare sau alți senzori de curent și tensiune), de protecție și de control-comandă, precum și de acționare. În plus, întreruptorul asigura comutatia circuitului (decuplarea de la rețea sau cuplarea în paralel cu sistemul energetic, după verificarea condițiilor de sincronizare).

Pentru a se putea lucra la întreruptor cu menținerea continuității în alimentare a celorlalte circuite racordate la același sistem de bare colectoare, în schemă se introduce separatorul față de bare (Sb).

Pe cât posibil, în zona generator-transformator de bloc se evita montarea aparatajului de comutatie, mai ales din cauza solicitărilor termice și electrodinamice mari la care ar trebui să reziste acest echipament în caz de defect la bornele generatorului.

Tabelul I.1

Corelația între tensiunea nominală a rețelei, respectiv, tensiunea și puterea nominală a generatoarelor electrice

(*) – conform recomandărilor CEI, aceste valori nu trebuie utilizate pentru rețele de distribuție publică.

Legătură parcursă de curenți mari (de regim normal sau de defect) dintre generator și transformatorul de bloc este realizată din conductoare neizolate rigide în construcție capsulată, în vederea creșterii siguranței în funcționare a blocului (protejarea acestui circuit împotriva diverșilor agenți externi și deci reducerea riscului de scurtcircuit, eliminarea pericolului atingerilor accidentale etc.).

În cazul grupurilor de putere mare, capsularea se realizează monofazat, pentru diminuarea eforturilor mecanice corespunzătoare curenților mari în caz de scurtcircuit și pentru limitarea extinderii defectului monofazat la celelalte faze ale circuitului.

Legătură parcursă de curenți mari (de regim normal sau de defect) dintre generator și transformatorul de bloc este realizată din conductoare neizolate rigide în construcție capsulată, în vederea creșterii siguranței în funcționare a blocului (protejarea acestui circuit împotriva diverșilor agenți externi și deci reducerea riscului de scurtcircuit, eliminarea pericolului atingerilor accidentale etc.).

În cazul grupurilor de putere mare, capsularea se realizează monofazat, pentru diminuarea eforturilor mecanice corespunzătoare curenților mari în caz de scurtcircuit și pentru limitarea extinderii defectului monofazat la celelalte faze ale circuitului.

Fig. I.3. Variante de echipare a circuitelor de generator și bloc generator-transformator

Generatoarele sunt prevăzute cu un automat de dezexcitare rapidă (ADR), pentru a se întrerupe cât mai rapid circuitul de excitație a mașinii sincrone în caz de scurtcircuit la bornele sau în interiorul acesteia. În absența acestei automatizări, mașină (deși decuplată de la rețea și cu admisia de abur închisă rapid), ar continuă să se învârtă în virtutea inerției, alimentând în continuare defectul până la oprirea completă și agravându-i deci consecințele termice și electrodinamice[12].

(AUTO)TRANSFORMATOR

În stațiile electrice de transformare se instalează transformatoare și autotransformatoare de putere care permit interconectarea mai multor rețele de tensiuni diferite.

(Auto)transformator având toate înfășurările de înalta tensiune

În figura I.4 sunt prezentate variante de echipare a unor circuite de (auto)transformator cu două sau trei înfășurări, având toate înfășurările cu tensiunea nominală peste 1 kV.

Fig. I.4. Variante de echipare a circuitelor de (auto)transformator

a – transformatoare cu două înfășurări și autotransformatoare cu terțiar nefolosit;

b – transformatoare cu trei înfășurări, TID, autotransformatoare cu terțiar folosit.

Protecția circuitelor de (auto)transformator în caz de scurtcircuit sau suprasarcină se realizează cu ajutorul întreruptoarelor în asociere cu dispozitive de detectare (transformatoare de măsurare sau alți senzori de curent și tensiune), de protecție și de control-comandă, precum și de acționare. În plus, întreruptoarele asigura comutatia circuitului (cuplarea/decuplarea în regim normal de funcționare). Pentru a se putea lucra la întreruptoare cu menținerea continuității în alimentare a celorlalte circuite racordate la aceleași sisteme de bare colectoare, în schemă se introduc separatoarele față de bare (Sb). În varianta b, separatorul față de transformator (St) permite efectuarea de lucrări la un întreruptor cu menținerea tranzitului de energie pe celelalte înfășurări ale transformatorului.

Variante de echipare pentru posturi de transformare

Posturile de transformare reprezintă stații coborâtoare la joasă tensiune, echipate în general cu transformatoare cu două înfășurări de mică putere (al căror curent secundar nu depășește, de regulă, 2500-4000A). În SEN sunt în funcțiune peste 65000 posturi de transformare, totalizând o putere instalată de aproximativ 23000 MVA. După destinație, posturile de transformare se realizează în varianta rețea și în varianta abonat, cu alimentare în cablu sau aeriană.

Varianta rețea cu alimentare în cablu se proiectează pentru alimentarea rețelelor de distribuție publică de joasă tensiune radiale și buclate care deservesc consumatori casnici și terțiari, fiind echipate, în general, cu un transformator de putere 250-630 kVA la tensiunea primară de 20 kV. Din postul de transformare pot fi alimentate și alte mici receptoare, care nu ridică probleme deosebite de continuitate în alimentare și care nu produc perturbatii în punctul comun de racord la rețea, că de exemplu mici unități comerciale, ateliere, depozite etc.

Varianta rețea cu alimentare aeriană poate alimenta rețele de distribuție de joasă tensiune radiale, care deservesc, de regulă, consumatorii casnici și iluminatul public din mediu rural[13].

Varianta abonat de realizare a posturilor de transformare este prevăzută pentru alimentarea cu energie electrică a consumatorilor industriali și similari. În funcție de nivelul de siguranță necesar a fi asigurat, pot fi echipate cu unul, două sau mai multe transformatoare.

În toate variantele de echipare prezentate în figura I.5 apare separatorul față de barele colectoare (Sb), având că funcție principala izolarea echipamentului electric din aval (în cazul efectuării unor lucrări de revizie/reparație) față de tensiunea barelor colectoare. Cu separatorul sunt permise doar manevre de comutatie cu transformatorul în gol[11].

Echiparea pe partea de tensiune superioară. Variantele a și b se caracterizează prin faptul că protecția circuitului în caz de scurtcircuit este realizată rapid și cu investiții relativ reduse utilizând siguranțe fuzibile. Luând în considerare avantajele/dezavantajele siguranțelor fuzibile prezentate anterior, astfel de scheme se utilizează, în general, pentru posturile de transformare realizate în varianta rețea. Din cauza unui risc mare de apariție a unor regimuri de alimentare nesimetrice, o astfel de echipare este neindicată în cazul posturilor de transformare care alimentează consumatori trifazați.

În varianta a, separatorul Sb permite doar comutatia transformatorului în gol. În varianta b, utilizarea separatorului de sarcina asigura comutatia circuitului (eventual, prin telecomanda), adăugându-se în plus și funcția de separare (izolare).

În varianta de echipare c, protecția circuitului în caz de scurtcircuit sau suprasarcină este realizată mai scump, dar mai sigur, prin utilizarea unui întreruptor în asociere cu dispozitive de detectare, de protecție și de control-comandă, precum și de acționare. În plus, întreruptorul asigura comutatia circuitului (conectare sau deconectare în regim normal de funcționare).

Fig. I.5. Variante de echipare a posturilor de transformare.

Echiparea pe partea de joasă tensiune. Utilizarea unui simplu separator este întâlnită în alimentarea unor rețele radiale, comutatia acestuia fiind permisă doar în gol sau după deconectarea unui aparat de comutatie corespunzător pe partea de medie tensiune. Scheme de echipare a posturilor de transformare cu siguranțe fuzibile se utilizează în cazul rețelelor de alimentare radială a unor consumatori monofazați, fără suprasarcini și fără comutații frecvente. Echiparea pe joasă tensiune cu întreruptoare automate este obligatorie în cazul alimentării unor rețele buclate sau a unor abonați importanți.

CIRCUITE DE ALIMENTARE A RECEPTOARELOR ELECTRICE

Pentru alegerea variantei de echipare a alimentării unor receptoare electrice sunt necesare informații cu privire la tensiunea și puterea nominală a receptorului, precum și numărul de acționari ale circuitului respectiv.

De la caz la caz protecția la scurtcircuit se asigura prin utilizarea siguranțelor fuzibile sau a întreruptoarelor[23].

Pentru asigurarea funcțiilor de izolare și/sau comutatie se pot utiliza separatoare obișnuite (circuite comutate în gol), separatoare de sarcina (comutații manuale) sau întreruptoare (atunci când sunt necesare manevre rare de comutatie, manuale sau telecomandate). În cazul unor acționari frecvente se utilizează contactoare prevăzute cu relee termice, care asigura un număr mare de comutații, precum și protecția la suprasarcină (spre deosebire de declanșatoare, releele termice acționează asupra unor contacte electrice înseriate în circuitul bobinei de comandă a contactorului).

În figura I.6 sunt prezentate câteva variante de echipare a circuitelor de alimentare a motoarelor electrice de joasă și de medie tensiune.

În general se preferă echiparea cu:

întreruptor: pentru receptoare de putere/tensiune mare (In > 300 A, respectiv, Un 6 kV);

2. contactor (prevăzut cu relee termice) asociat cu siguranțe fuzibile: în celelalte cazuri, mai ales pe circuitele cu acționări frecvente (mai mult de una/ zi).

Fig. I.6. Variante de echipare a circuitelor motoarelor electrice

a – de joasă tensiune; b – de medie tensiune

Cerințe impuse instalațiilor de transport și distribuție

Dintre aceste cerințe, unele trebuie să fie satisfăcute de SEE în totalitatea lui, deci și de rețelele electrice că parte componentă a sistemului, iar altele se referă numai la rețelele electrice, în măsură în care acestea constituie elemente mai mult sau mai puțin independente de restul elementelor componente ale sistemului. Principalele cerințe impuse rețelelor electrice sunt:

– continuitatea alimentării cu energie electrică a consumatorilor;

– siguranță în funcționare;

– calitatea energiei electrice furnizate consumatorilor;

– dezvoltarea ulterioară a rețelei;

– eficientă economică a investițiilor;

– cerințe suplimentare impuse de impactul cu mediul înconjurător.

Continuitatea alimentării cu energie electrică a consumatorilor este o cerință esențială pe care trebuie să o îndeplinească o rețea electrică. Alimentarea consumatorilor trebuie asigurată practic fără întrerupere (sau la un nivel de întrerupere admis, de valoare mică), indiferent de regimul și starea sistemului. Acest deziderat se realizează în primul rând prin alegerea unei configurații adecvate a rețelei dar depinde direct de siguranță în funcționare a rețelei.

Întreruperea alimentării cu energie electrică afectează consumatorii în mod diferit. În funcție de natură efectelor produse de întreruperea alimentării cu energie electrică, receptoarele se încadrează în următoarele categorii:

– categoria zero, la care întreruperea în alimentarea cu energie electrică poate duce la explozii, incendii, distrugeri de utilaje sau pierderi de vieți omenești. În această categorie intră, spre exemplu: calculatoarele de proces, instalațiile de ventilație și evacuare a gazelor nocive sau a amestecurilor explozive, instalațiile de răcire la cuptoarele de inducție etc.;

– categoria I, la care întreruperea alimentării conduce la dereglarea proceselor tehnologice în flux continuu, necesitând perioade lungi pentru reluarea activității la parametrii cantitativi și calitativi existenți în momentul întreruperii, sau la rebuturi importante de materii prime, materiale auxiliare etc., fără a există posibilitatea recuperării producției nerealizate. Se pot încadra în această categorie: podurile rulante de turnare în oțelării, cuptoarele de topit sticlă, incubatoarele, stațiile de pompe pentru evacuarea apelor din mine etc.;

– categoria a II-a cuprinde receptoarele la care întreruperea alimentării conduce la nerealizări de producție, practic numai pe durata întreruperii, iar producția nerealizată poate fi, de regulă, recuperată. În această categorie se pot încadra: cuptoarele pentru tratamente chimice, compresoarele de aer, instalațiile de extracție, mașinile prelucrătoare pentru producția de serie etc.;

– categoria a III-a cuprinde receptoarele de mică importantă care nu se încadrează în categoriile precedente, cum ar fi: receptoarele din ateliere, depozite, secții auxiliare, cum și cele aparținând consumatorilor casnici și rurali.

În funcție de categoria din care fac parte, receptoarelor trebuie să li se asigure rezervă necesară în alimentarea cu energie electrică, prin scheme de alimentare adecvate. Astfel, există consumatori, respectiv receptoare, cum sunt cele din categoria zero, care necesită rezervă de 100%, căile de alimentare fiind independente și racordate în puncte de alimentare distincte. Pentru acești consumatori, dacă în întreprindere nu există o centrală electrică de termoficare, se prevede o sursă separată de energie (grup electrogen).

Pentru receptoarele din categoria I sunt necesare două cai de alimentare cu rezervă de 100% care pot să nu fie independente și să fie racordate în puncte nedistincte de alimentare. Durata de întrerupere a alimentării este de maximum 3 s și corespunde timpului de acționare a automaticii din stații[26].

Pentru alimentarea receptoarelor din categoria a II-a se asigura de asemenea rezervă de 100%, dar durata întreruperii, adică de trecere de la alimentarea de baza la cea de rezervă, poate varia de la 30 min. la 16 ore Aceste intervale de timp sunt necesare pentru efectuarea manevrelor de izolare a defectului și de stabilire a unei noi scheme pentru alimentarea pe calea de rezervă.

Pentru receptoarele din categoria a III-a nu este obligatorie asigurarea unei alimentari de rezervă.

În privința noțiunii de puncte distincte de alimentare se precizează că acestea pot fi două stații de transformare sau două centrale diferite, racordarea făcându-se prin linii diferite. Se consideră, de asemenea, puncte diferite două secții de bare dintr-o stație, dacă fiecare secție este alimentată prin cai distincte (generatoare, linii, transformatoare) și dacă nu sunt unite între ele, sau sunt unite printr-un întreruptor cu declanșare rapidă, în cazul perturbării regimului normal de funcționare pe una din secții.

Două cai de alimentare se consideră independente dacă un defect unic sau lucrările de reparații și întreținere la elementele unei cai nu conduc la scoaterea din funcțiune a celeilalte cai. Se consideră cai de alimentare independente două linii pe stâlpi separați sau cele două circuite ale unei linii cu dublu circuit, în ipoteza că nu se ia în considerare, pentru a două varianta, avarierea gravă a unui stâlp, acesta fiind, de obicei, un element sigur al liniei.

Prin siguranță în funcționare a unei rețele electrice se înțelege capacitatea acesteia de a suportă solicitările care apar în funcționarea ei fără consecințe inacceptabile pentru instalațiile și aparatele ce o compun, fără prejudicii pentru personalul de deservire, pentru construcțiile sau obiectivele învecinate.

Datorită diversității elementelor care alcătuiesc rețeaua electrică și a numeroaselor incidente care apar în exploatarea acesteia, realizarea unei siguranțe absolute în funcționarea unei rețele electrice este deosebit de dificilă și irațională. În exploatarea unei rețele electrice pot apare solicitări foarte mari sau mai multe avarii simultane, independente unele de altele, frecvența de apariție în ambele situații fiind foarte mică. A supradimensiona toate elementele componente ale rețelei pentru a suportă astfel de solicitări ar însemna un efort financiar deosebit de mare. De aceea este necesară corelarea judicioasă a siguranței în funcționare cu economicitatea instalațiilor ce compun rețeaua, ceea ce va conduce la o soluție optimă din punct de vedere tehnico-economic.

Calitatea energiei electrice furnizate consumatorilor reprezintă o cerință esențială în exploatarea rețelelor electrice și se apreciază în funcție de următorii parametri: tensiunea de alimentare, frecvența, gradul de simetrie al sistemului trifazat de tensiuni și puritatea undei de tensiune, dorită de formă sinusoidală].

O bună calitate a energie furnizate impune că tensiunea de alimentare și frecvența să fie cât mai apropiate de valorile nominale, iar fluctuațiile de tensiune și frecvența în jurul acestor valori să fie cât mai reduse atât că valoare cât și că frecvența. Abaterile admise sunt de cca. ±5% pentru tensiuni, respectiv ±0,5% pentru frecvența. Menținerea frecvenței în limitele admise depinde de circulația puterilor active în sistem, fiind o problema de exploatare a centralelor electrice. Valoarea tensiunii în nodurile sistemului depinde în primul rând de circulația puterilor reactive. Menținerea ei între limitele admise reprezintă o problema esențială în proiectare și exploatarea RE, fiind cunoscută sub denumirea de reglarea tensiunii.

Gradul de simetrie al sistemului trifazat de tensiuni este o cerință de calitate, ce impune că în toate nodurile sistemului să existe un sistem trifazat simetric de tensiuni. Pentru asigurarea acestui deziderat este necesar că generatoarele sincrone din sistem să furnizeze un sistem trifazat simetric de tensiuni, iar elementele din sistem să fie echilibrate trifazat. În acest sens, la transformatoare se acționează asupra formei miezului magnetic, la linii se efectuează transpunerea fazelor, receptoarele trifazate se construiesc echilibrate, cele monofazate se distribuie pe cele trei faze astfel încât să asigure o încărcare echilibrată a rețelei. În general, cerință de simetrie a tensiunilor este practic realizată în SEE.

Cerință de puritate a undei de tensiune impune lipsa armonicilor de tensiune (și curent) sau limitarea acestora la un nivel redus. Pentru această, prin construcție, generatoarele trebuie să furnizeze tensiuni electromotoare lipsite de armonici. Apoi, prin proiectare, construcție și exploatare trebuie să se evite domeniile neliniare de funcționare a elementelor din sistem (exemplu saturatia la transformatoare) și să se evite configurațiile ce pot formă circuite rezonanțe pentru armonicile cele mai probabil existente în sistem (de ex. linie aeriană lungă conectată cu o rețea extinsă de cabluri). În fine, la consumatorii importanți, care constituie surse de armonici (de exemplu stații de redresare) se vor utiliza scheme de compensare.

Dezvoltarea ulterioară a rețelei este o cerință potrivit căreia rețeaua electrică existența trebuie să permită o extindere (dezvoltare) viitoare fără că prin această gradul ei de siguranță și simplitatea manevrelor să sufere modificări esențiale.

Eficientă economică a investițiilor este cerință care impune că transportul și distribuția energiei electrice să se realizeze cu cheltuieli minime la o anumită putere transferată. Creșterea eficienței economice a investițiilor se realizează prin:

– reducerea la maxim a cheltuielilor de investiții prin adoptarea soluții-lor celor mai ieftine dintr-un număr de soluții posibile, care satisfac condițiile tehnice impuse;

– reducerea pierderilor de putere pe elementele rețelei, prin alegerea unor aparate și instalații ce prezintă randamente ridicate și prin exploatarea rațională a acestora.

Cerințele suplimentare impuse de impactul cu mediul înconjurător acționează că restricții, care trebuie respectate în mod obligatoriu. De exemplu, se impun restricții de poluare estetică, fonică, atmosferică sau de deviere a traseelor în cazul unor zone urbane (chiar dacă soluția tehnico-economică recomandă că o linie de înalta tensiune să treacă prin centrul unei zone urbane, această soluție nu poate fi acceptată și atunci traseul sufera modificările necesare ).