Fig.2.4.Două variante de echipare a unor cuple cu funcții multiple 1 15 [602198]

CAPITOLUL II Analiza soluției constructive și a echipamentelor componente pentru o stație de medie tensiune 2.1.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; -scheme multifilare; •scopul urmărit prin reprezentare: -scheme explicative; -scheme de conexiuni, destinate realizării fizice și verificării conexiunilor; -scheme sinoptice, reprezentând starea reală a aparatelor de comutație la un moment dat; -planuri de amplasare, ce oferă indicații despre amplasarea unei instalații. •funcțiile îndeplinite: -circuite primare: tranzitul de energie se realizează de la surse către consumatori; -circuite secundare: sunt circuite care contribuie în diferite feluri la buna funcționare a circuitelor primare (circuite de măsurare, protecție, comandă, control, semnalizare etc.). O stație electrică reprezintă un nod în cadrul unei rețele, nod la care sunt racordate mai multe elemente de rețea: generatoare, linii electrice , transformatoare etc. Ansamblul de aparate electrice și legături conductoare princare un element de rețea este racordat la o stație electrică este numit circuit electric. 2.2.Soluții constructive pentru o stație electrică de medie tensiune 2.2.1.Schemă electrică cu un sistem de bare colectoare [1] În varianta prezentată mai jos (Fig. 2.1.), schema cu un sistem de bare colectoare (1BC) presupune existența unui singur nod de conexiuni, la care sunt racordate circuite cu soluții de echipare simple. Principalele avantaje ale schemelor cu 1BC sunt configurația lor mai simplă și numărul de aparate mai redus în raport cu alte tipuri de scheme electrice de conexiuni. Ca urmare, la aceste scheme sunt necesare eforturi mai mici de investiție și totodată (prin reducerea numărului surselor potențiale de defecte/greșeli de manevrare), numărul întreruperilor în alimentare este potențial mai mic. Deoarece conțin echipament puțin, astfel de scheme necesită suprafețe de teren mai mici pentru dispunere, fiind indicate și în cazul stațiilor amplasate în construcții (de interior). Principalul dezavantaj al schemelor cu 1BC constă în faptul că defectele (sau reviziile) la sistemul de bare sau refuzul de acționare al unui întreruptor conduce la scoaterea întregii stații din funcțiune. În cazul unor întreruperi în zona barelor colectoare, daunele ca urmare a nelivrării energiei electrice vor fi cu atât mai mici, cu cât vor fi conectate mai puține circuite la sistemul de bare colectoare.
11

Fig. 2.1.Schemă electrică de conexiuni cu un sistem de bare colectoare [11] În cazul reparațiilor la o celulă, întreruperea în alimentare va afecta numai circuitul aferent celulei respective. Daunele ca urmare a nelivrării energiei electrice pot fi reduse dacă circuitul respectiv este rezervat (până la zero, în cazul unei rezerve de 100%). Scheme cu 1 BC și un întreruptor pe circuit sunt folosite pentru toate treptele de tensiune din rețelele de distribuție, atunci când aparatajul electric este fiabil, presupune mentenanță redusă și/sau consumatorii admit întreruperi în alimentare ori pot fi preluați de altă sursă de rezervă. 2.2.2.Schemă electrică cu un sistem de bare colectoare și secționare longitudinală [1] Sporirea siguranței în funcționare a schemelor cu un sistem de bare colectoare și un întreruptor pe circuit se poate face prin secționarea longitudinală a sistemului de bare. Probabilitatea ca un defect la sistemul de bare, la separatoarele de bare sau refuzul de acționare al unui întreruptor să afecteze mai multe secții de bare este relativ redusă. Prin secționare se reduce deci numărul de circuite întrerupte ca urmare a unor defecte/revizii în zona barelor și a separatoarelor de bare, dacă se ține seama de unele aspecte: -se pot crea atâtea secții de bare câte surse de alimentare există pentru stația respectivă; -consumatorii vor fi cât mai uniform repartizați pe secții, iar cei cu dublă alimentare vor fi racordați la secții diferite; -între secții se prevăd circuite suplimentare (cuple longitudinale), care permit alimentarea a două secții de la aceeași sursă, în cazul defectării/revizuirii uneia dintre surse.
12

În (Fig. 2.2.) este prezentat un exemplu de schemă de conexiune pentru o stație de 20 kV , cu două secții de bare. Fiecare secție de bare este alimentată dintr-o stație de înaltă tensiune de 110 kV , iar numărul plecărilor din stație este repartizat pe cele două secții în funcție de necesitățile zonei de consum. În cazul unor întreruperi (planificate sau nu) în zona barelor, daunele de nelivrare a energiei electrice vor fi mai mici, fiind afectați doar jumătate dintre consumatorii alimentați de la sistemul de bare colectoare. Această modificare a variantei de baza presupune un efort suplimentar de investiții, pentru echiparea cuplei longitudinale între secțiile de bare.
Fig.2.2.Schemă electrică de conexiuni cu un sistem de bare colectoare și secționare longitudinală [11] Deoarece în costul unei celule, ponderea principală revine întreruptorului, pentru reducerea cheltuielilor cu echiparea stației se caută soluții de micșorare a numărului de întreruptoare. În acest scop se pot utiliza mai multe tipuri de cuple longitudinale, cum ar fi: -cupla longitudinală cu un separator, ce presupune o investiție minimă, dar oferă o elasticitate în exploatare foarte redusă, deoarece cuplarea/decuplarea celor doua secții de bare se poate face numai în absența sarcinii. -cupla longitudinală cu două separatoare, care previne parțial scoaterea din funcțiune a ambelor secții de bare în cazul unor manevre greșite cu separatorul cuplei sau în cazul revizuirii acestuia. Cele două separatoare se pot izola reciproc, ceea ce permite menținerea în funcțiune a uneia din cele două secții de bare, atunci când se lucrează la cealaltă secție. -cupla longitudinală cu două separatoare și un întreruptor, ce asigură elasticitate si siguranță maximă în exploatare. Conectarea/deconectarea longitudinală a secțiilor se face în acest caz numai cu ajutorul întreruptorului. Reviziile sau reparațiile acestuia se pot face cu menținerea ambelor secții de bare sub tensiune. 
13

Pentru creșterea continuității în exploatare, cuplele longitudinale echipate cu întreruptor se prevăd cu sisteme de anclanșare automată a rezervei (AAR). Mai nou, se folosește denumirea „ transfer automat ”. 2.2.3.Schemă electrică cu două sisteme de bare colectoare [1] Schemele cu două sisteme de bare colectoare (2BC) presupun existența a două noduri de conexiuni dispuse alăturat, fiecare circuit nefiind prevăzut cu câte două separatoare de bare deoarece avem incluse în circuit întreruptoare debroșabile. În figura (2.3.) este prezentată o schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare pentru stația electrică de 20 kV , folosită ca exemplu în cazurile anterioare. Fiecare circuit se poate racorda la oricare dintre sistemele de bare colectoare, această manevră efectuându-se în regim normal de funcționare fără întreruperea funcționarii. Fiecare bară colectoare poate fi izolată în scopul executării lucrărilor de întreținere, fără întreruperea vreunui circuit. Un incident pe un sistem de bare întrerupe doar circuitele racordate în nodul respectiv, timpul de nelivrare a energiei fiind cel necesar efectuării manevrelor de trecere a circuitelor pe celălalt sistem de bare colectoare (deci mult mai mic decât timpul de nelivrare în cazul variantei de referință, necesar pentru reparații).
Fig.2.3.Schemă electrică de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare [11] Cuplarea celor două noduri de conexiuni prin închiderea ambelor separatoare de bare ale aceluiași circuit presupune riscul unor avarii grave (însoțite de arc electric) și deci o astfel de manevră este strict interzisă. 
14

Cuplarea sistemelor de bare poate fi făcută numai prin intermediul întreruptorului cuplei transversale, denumit astfel deoarece în teren se adopta o dispunere paralelă a celor două sisteme de bare colectoare. Cupla transversală este un circuit specific tuturor schemelor cu un singur întreruptor pe circuit și două (sau mai multe) sisteme de bare. Funcțiile cuplei transversale sunt: -punerea sub tensiune a unui sistem de bare colectoare cu scopul de a verifica starea izolației acestuia; între două sisteme de bare legate prin cupla transversală, circuitele pot fi redistribuite fără a fi necesare întreruperi în funcționarea acestora; -legarea în paralel a două sisteme de bare colectoare, ambele aflate sub tensiune; -ocolirea întreruptorului unui circuit, cu două scurte întreruperi în funcționarea circuitului respectiv. Ca urmare a prezenței celui de al doilea sistem de bare, respectiv, a suplimentării numărului de separatoare pe fiecare circuit, precum și a introducerii circuitului de cupla transversală, cresc cheltuielile de investiții pentru echiparea stației, precum și cheltuielile de întreținere. Este redus însă considerabil timpul de întrerupere în alimentare și numărul circuitelor afectate de revizia/reparația unui sistem de bare (deci puterea nelivrată). 2.2.3.Schemă electrică cu două sisteme de bare colectoare și secționare longitudinală [1] Pentru mărirea continuității în alimentarea consumatorilor, schemelor cu bare colectoare duble (secționare transversală) li se asociază secționarea longitudinală a unuia sau a ambelor sisteme de bare. În stațiile cu două sisteme de bare, se justifică mai frecvent secționarea longitudinală a unui singur sistem dintre cele două noduri de conexiuni. Pentru o elasticitate ridicată în funcționarea unor astfel de scheme, corespunzător fiecărei noi secții de bare se pot prevedea cuple individuale: una longitudinală și două transversale. În condițiile unei elasticități mai reduse, efortul de investiții poate fi sensibil micșorat prin folosirea unei cuple longo-transversale. Cu ajutorul unei astfel de cuple cu funcții multiple (Fig. 2.4.) pot fi realizate pe rând o cupla longitudinală și două cuple transversale. Stația din (Fig. 2.5.) este prevăzută cu o cuplă longo-transversală, alimentată dintr-o stație electrică de 110 kV prin celulele de transformare și având nivelul de tensiune 20 kV . Modalitatea și gradul de secționare dintr-o stație de conexiuni se stabilesc în funcție de condițiile concrete de funcționare. Principalele avantaje urmărite prin aceasta sunt creșterea continuității în alimentare și micșorarea curenților în caz de scurtcircuit. Pentru mărirea continuității în alimentare, pe lângă secționare mai trebuie asigurată și o repartiție judicioasă a circuitelor între noduri. Pentru reducerea curenților de scurtcircuit, stația funcționează cu cuplele longitudinale sau transversale, normal deschise.
Fig.2.4.Două variante de echipare a unor cuple cu funcții multiple [1] 15

Fig.2.5.Schemă electrică de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare și secționare longitudinală [11] 2.3.Echiparea circuitelor primare ale unei stații de medie tensiune 2.3.1.Clasificarea aparatelor electrice Aparatele electrice utilizate în instalații pentru echiparea circuitelor electrice îndeplinesc diferite funcții: -comutație: comanda manuală sau automată de închidere/deschidere a unui circuit în condiții de exploatare (întreruptoare); -măsurare/supraveghere: împotriva depășirii unor valori admisibile ale tensiunii, curentului etc. (transformatoare de măsurare de curent, tensiune, relee); -protecție: împotriva curenților de scurtcircuit sau a supratensiunilor (întreruptoare, siguranțe fuzibile, descărcătoare); -izolare/separare a unei părți de instalație, pentru a se putea lucra fără risc de electrocutare în timp ce restul instalației se află sub tensiune (întreruptoare debroșabile). În cazul unui scurtcircuit pe un circuit electric se impune deconectarea sa 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 fiecarui circuit electric în parte, astfel încât aceste manevre să nu conducă la întreruperea altor circuite. [1]
16

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. [1] 2.3.2.Principalele echipamente dintr-un circuit electric În cele ce urmează sunt prezentate echipamentele electrice pentru principalele circuite utilizate într-o stație de medie tensiune (20 kV). •Transformator de putere Transformatorul electric este un aparat static ce funcționează pe principiul inducției electromagnetice, în urma conversiei modificându-se anumiți parametri (tensiune, curent), în timp ce frecvența rămâne constantă. Un transformator este construit dintr-un miez feromagnetic pe care sunt dispuse două sau mai multe înfășurări izolate între ele și față de miez. Înfășurarea care primește energie se numește înfășurare primară (receptor), iar înfășurarea care furnizează energie unui circuit exterior se numește înfășurare secundară (generator). Dacă valoarea efectivă a tensiunii înfășurării secundare este mai mică decât cea a înfășurării primare transformatorul se numește coborâtor, iar în caz contrar transformatorul se numește ridicător. Clasificarea transformatoarelor se face după mai multe criterii: a) din punct de vedere al utilizării: -transformatoare de putere; -autotransformatoare; -transformatoare de măsură; -transformatoare pentru schimbarea numărului de faze; -transformatoare cu mai multe înfășurări; -transformatoare de mare intensitate; -multiplicatoare de frecvență. b) din punct de vedere al numărului de faze: -monofazate; -polifazate ( în cele mai multe cazuri, trifazate ). c) din punct de vedere al răcirii: -răcire cu aer; -răcire cu ulei. Miezul feromagnetic reprezintă calea de închidere a fluxului principal al transformatorului, produs de solenația de magnetizare a înfășurării primare și care înlănțuie spirele celorlalte înfășurări. Miezul magnetic este format din coloane (pe care sunt dispuse înfășurările) și juguri care sunt elemente constructive de legătură între coloane. Circuitul magnetic al transformatoarelor se poate realizeaza în coloane și în manta. Înfășurările transformatorului constituie alături de circuitul magnetic elemente constructive de bază. Ele trebuie să satisfacă o serie de cerințe de exploatare și de producție. 17

În prezent în rețelele trifazate de tensiune se folosesc două variante constructive: -transformatoare cu fluxuri libere; -transformatoare cu fluxuri forțate. Transformatoarele cu fluxuri libere sunt realizate din trei transformatoare monofazate separate a căror înfășurări primare și secundare pot fi conectate folosind una din conexiunile cunoscute. Această variantă constructivă se folosește pentru unități de putere foarte mare fapt ce permite transportarea mai ușoară de la fabrica constructoare la beneficiar și în plus pentru rezervă în caz de defect se folosește o singură unitate monofazată. [12] Prin conexiunea înfășurării unui transformator se înțelege modul de conectare al înfășurărilor fiecărui circuit de fază de pe partea de înaltă tensiune și joasă tensiune. Pentru precizarea conexiunilor se notează începuturile înfășurărilor de înaltă tensiune ale diferitelor faze cu litere majuscule A, B, C, iar sfârșiturile cu X, Y , Z. Se constată că pentru înfășurarea de înaltă tensiune se folosesc conexiunile: Y – stea și D – triunghi. Prin schemă de conexiuni se înțelege modul de conectare al înfășurărilor de înaltă tensiune și joasă tensiune la un transformator trifazat. Pentru a deosebi schemele de conexiuni între ele se introduce o mărime suplimentară numită indice deplasare unghiulară și semnifică unghiul de defazaj între tensiunile de linie la înfășurările de înaltă, respectiv joasă tensiune. Sunt posibile realizări de deplasări unghiulare de la 1 la 12 (0). Funcție de mărimea deplasării unghiulare avem: -scheme cu deplasare unghiulară impară: 1, 3, 5, 7, 9, 11 (Yd, Dy și Yz); -scheme cu deplasare unghiulară pară: 0(12), 2, 4, 6, 8, 10 (Yy, Dd și Dz). •Transformator de curent Transformatoarele de măsurare de curent (Fig. 2.6.) sunt transformatoare speciale destinate modificării domeniilor de variație a curentului electric în domeniile admisibile pentru aparatele de măsurare. Părțile componente ale transformatorului de curent sunt: -înfășurarea primară; -înfășurarea secundară; -miezul feromagnetic. Criteriile specifice pentru transformatorul de curent: -curentul secundar nominal: valoarea pentru circuitele de medie tesiune este de 5 A. -numărul de înfășurări secundare: dependent de numărul de aparate alimentate de transformator, precum și de valoarea încărcării circuitului; -clasa de precizie (0,2 0,5 1 P); -puterea secundară.
Fig. 2.6. Transformator de curent de medie tensiune [13] Fig. 2.7. Simbol standardizat 17

•Transformator de tensiune Transformatorul de tensiune (Fig. 2.7.) este analog transformatorului de forță și se deosebește de acesta, în special prin valoarea puterii. În scopul asigurării unei precizii de măsurare cât mai mari posibile se limitează încărcarea transformatorului de tensiune astfel încât el funcționează în condiții foarte apropiate de condițiile de mers în gol, curentul magnetizat fiind astfel comparabil cu curentul de sarcină. În principal, alegerea transformatoarelor de măsurare de tensiune se face în funcție de aparatele de măsurare și de protecție care trebuie alimentate. Circuitele secundare sunt prevăzute cu o legătură la pământ pentru securitatea personalului și cu siguranțe fuzibile pentru protecția transformatorului de tensiune și a conductoarelor în caz de scurtcircuit. De regulă, pentru tensiuni Un >110 kV , se utilizează transformatoare de tip capacitiv (care sunt simbolizate în România prin TECU sau TECH). Criteriile specifice pentru transformatorul de curent: -tensiunea secundară nominală: – pentru înfășurarea de bază: – 100 V – pentru transformatoare bipolare; – 100/√3 V – pentru transformatoare monopolare; – pentru înfășurarea secundară: – 100/3 V – neutrul nu este legat la pământ; – 100 V – neutrul legat la pământ. -clasa de precizie:- clasa 0,2 pentru alimentarea aparatelor de laborator, a contoarelor de interconexiune cu alte țări; – clasa 0,5 pentru alimentarea celorlalte contoare;
 – clasa 1 pentru alimentarea aparatelor indicatoare și înregistratoare;
 – clasa P pentru alimentarea majorității tipurilor de protecții. – clasa 0,5 pentru regulatoare de tensiune;
 – clasa 1 pentru protecții care necesită o precizie mai mare în alimentare; – clasa 3P (sau 6P) pentru protecții; -puterea secundară.
Fig. 2.8.Transformator de tensiune de medie tensiune [13] Fig. 2.9. Simbol standardizat
17

•Întreruptor debroșabil cu vid Montajul debroșabil realizează 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 de rezervă. Utilizarea sistemului debroșabil 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 substanțial la compactarea celulei. Limitările acestui tip de întreruptoare constau în tensiunea redusă în camera de stingere și în incapacitatea realizării a unor camere de stingere capabile să suporte un curent de durată de valoare ridicată. Totuși, faptul că întreruptorul este prevăzut cu un spațiu de stingere complet etanș, oferă avantajul unei mentenanțe facile. Împreună cu numărul mare de comutații care se pot efectua în condiții de siguranță, acest avantaj al mentenanței și al costului ei redus, face ca acest tip de întreruptor să fie foarte folosit în exploatare. Întreruptoarele cu vid (Fig. 2.8.) se folosesc intensiv pentru tensiuni de până la 36 kV și curenți de rupere între 8 și 36 kV . Criteriile specifice pentru întreruptor: -capacitatea de rupere la scurtcircuit; -capacitatea de închidere pe scurtcircuit; -alte criterii pentru alegerea întreruptoarelor.
Fig. 2.10. Întreruptor debroșabil cu vid de medie tensiune [15] Fig. 2.11. Simbol standardizat •Descărcător Descărcătorul (Fig. 2.12.) este un aparat de protecție a izolației circuitelor de înalta tensiune împotriva supratensiunilor atmosferice sau de origine internă. Imediat după descărcarea supratensiunii la pământ, el trebuie să realizeze stingerea arcului și deci refacerea nivelului de izolație pentru asigurarea alimentării în continuare a consumatorilor. Acest aparat are rol de protecție deoarece limitează nivelul supratensiunilor ce solicită izolația echipamentului electric din stații. [1] Mărimi caracteristice: -tensiunea nominală a instalației [Un]; -tensiunea maximă de funcționare continuă [Uc], este valoarea tensiunii sub care descărcătorul nu intervine sub nici o formă; -nivelul tensiunii de protecție [Up]; -curentul nominal de descărcare [In 8/20], este valoarea de vârf a curentului care circulă în descărcător când acesta este testat cu un impuls 8/20 µs; -curentul maxim de descărcare [Imax 8/20], valoarea de vârf a curentului maxim cu forma de undă 8/20 µs pe care DRV-ul o poate descarcă cel puțin o dată fără a se defecta; 17

-curentul de impuls [Imp 10/350], corespunde valorii de vârf a impulsului cu forma de undă 10/350 µs cu care este testat descărcătorul din clasa I. Această formă de undă este utilizată pentru a simula lovitura de trăsnet.
Fig. 2.12. Descărcător de medie tensiune Fig. 2.13. Simbol standardizat 2.3.3.Tipuri de celule de medie tensiune 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. Partea unei stații care cuprinde ansamblul de echipamente, materiale, aparate electrice și dispozitive amplasate într-un singur loc reprezintă o celulă electrică. În construcția stațiilor moderne, tendința generală este de a utiliza echipamente prefabricate. Echipamentele prefabricate prezintă 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. [1] O celulă electrică de medie tensiune poate fi echipată cu întreruptor, separator, cuțit de legare la pământ (CLP), aparatele de măsurare (transformator de tensiune,curent) și diferite echipamente electrice în funcție de tipul circuitul electric pentru care a fost proiectată celula. Fiecare celulă este echipată cu un compartiment în care se află circuitele secundare. 17

În continuare se va prezenta o celulă electrică pentru un circuit de linie cu două bare colectoare, marca Efacec. Caracteristici: -construcție modulară; -posibilități de extindere; -utilizare în exploatare simplă; -operare exclusivă din partea frontală; -echipare cu un întreruptor debroșabil cu vid cu durată mare de viață; -necesită mentenanță scăzută; -fiabilitate ridicată. Date tehnice: -tensiunea maximă a echipamentului: 24 kV; -frecvență: 50/60 Hz; -valoarea curentului maxim: 3150 A; -valoarea de vârf a curentului de scurtcircuit: 63 kA.
Fig. 2.14. Celulă electrică compactă de medie tensiune [15]17