Argumentarea necesității stringente [603569]
CUVÂNT ÎNAINTE
Argumentarea necesității stringente
de auditare electroenergetică la consumatori
Orice activitate umană necesită , într -o primă etapă de pregătire, o preocupare
de organizare corespunzătoare, î n funcție de specificul uni tății re spectiv e. În
aceasta etapă, viitorul patron sau manager, prin mă surile pe care le ia urmărește
realizarea scopu lui propus de a asigura , într -un timp cât mai scurt după intrarea î n
funcțiune a unității productive, un profit câ t mai bun, utilizând procese te hnolog ice
performante ș i competi tive, precum ș i forț ă de munca bine pregătită profesional.
Asigurarea unei eficienț e ridicate a întregii act ivități, conduce la realizarea , în dife –
ritele etape de funcționare , a scopului urmărit, prin îndeplinirea ce rințelor obiective
și generale ale econo miei de piață . Aceasta depinde într -o măsură foarte mare de
competenț a profesională și managerială , precum și de experiența fiecărui patron î n
urmărirea propriului in teres. Semnalul asupra reușitei este dat de poziția
întrepr inderii respective față de celelalte , cu profil similar , în competiția de pe
piața. Poziția relativă se poate schimba însă permanent, fie în sens pozitiv,
asigurând o stabilitate mai mare pe piață, fie î n sens negativ și , în acest caz,
putându -se ajunge, m ai devreme sau mai târziu, chiar la faliment, situație extremă,
pe care fiecare patron se luptă să o evite.
Evoluția pe piață a fiecărei unități econ omice depinde de com plexul de
măsuri pe care managerul, respectiv patronul, le aplic ă permanent, prin moni –
torizarea ș i reglarea ponderii fiecăreia în procesul de producție, în funcție de
evoluția rezultatelor obținute. Sub acest aspect orice întreprinzător acordă atenția
corespunzătoare măsuri lor privind cheltu ielile de producție și urmăririi permanente
a acestora pentru asigurarea bunului mers al afacerilor .
În țara noastră toate aceste a specte cu caracter general , dar ș i strict
individual, privind existenta și menținerea pe piață a fiecărei în treprinderi, se poate
afirma, că au caracter de relativă noutate și experimentare. Aceasta deoarece ,
numai de la începutul deceniului trecut, au apărut ș i la noi, cu multe ezitări dar ș i
cu curaj, primele unități economic e specifice economiei de piață și anume între –
prinderile mici și mijlocii (IMM) . Se poate deci afirm a că nu au încă maturitatea ș i
stabilitatea caracteristice unei economi i de piață pe deplin funcțională . Cele peste
400.000 de IMM -uri în funcțiu ne, în prezent , în țara noastră, care contribuie deja,
după afirmații oficiale, la realizarea a circa 70% din P IB, r eprezintă un progres
important în pătrunderea ță rii noastre în economia de piață. Există însă foarte mult
loc de creștere numerică ș i de consolidare î n cont inuare a acestora, mai ales dacă se
ține seama de faptul că acest tip de în treprinderi, care ia u locul marii industrii de
stat, în continuă ș i rapidă descreștere, reprezintă coloana vertebrală ș i deci esența ș i
12 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
viitorul economiei de piață ș i în țara noastră. O confirmare î n acest sens o consti –
tuie, situația existentă î n toate țările capitaliste, î n diferite stadii de dezvoltare ș i, ca
exemplu, se menționează cazul Angliei , în care IMM -urile depășiseră încă înainte
de anul 2000, numărul de 4 milioane.
Cu aceasta ocazie se consideră necesar să se fac ă observația deloc marginală,
că deși întreprinderil e mici și mijlocii nu numai că există și la noi în număr mare, ci
se și extind, totuși în nomenclatorul de întreprinderi din țara noastră, elaborate de
unitățile de specialitate electroenergetică, categoria de întreprinderi mijlocii nu este
mențio nată. Se consideră că este o scăpare care, pentru alinierea la realitatea
autohtonă și europeană trebuie corectată .
Revenind la scopul principal către care tinde fiecare patron sau manager de
întreprindere , respectiv cel al unei eficienț e cât mai ridicate a activi tății și deci
afaceri cât mai profitabile, se precizează că acestea se realizează prin reducerea în
măsură cât mai mare și permanentă a tuturor cheltuielilor de producție. Aceasta
acțiune este dificilă, întrucât natura cheltuielilor este în multe cazuri co mplexă, ca
și ponderea lor în costul unității de produs realizat, care constituie factorul decisiv
în competiția pe piață a fiecărui întreprinzător și a cărei reducere trebuie urmărită
permanent, de către fiecare manager , în scopul creșterii competitivităț ii.
Rezolvarea optimală a acestei cerințe prior itare pentru menținerea pe piață ,
depinde de calitățile manageriale și de experiența fiecărui manager în gestionarea
corectă a tuturor tipurilor de cheltuieli de pro ducție. Orice neglijare sub acest
aspect, c onștientă sau nu, mai devreme sau mai târziu, își spune cuvântul prin
creșterea costului specific al unității de produs și prin scăderea competitivității.
Acest indicator constituie de fapt o mărime strict co nfidențială în economia de
piață, dar este pentr u mulți manageri , în special autohtoni așa de secret, încât nu -l
cunosc nici dânșii, pentru că nu l-au determinat niciodată, constituind o omisiune
foarte mare, pe care regulile economiei de piață , respectiv concurenț a o
sancționează prompt, cu obiectivita te și severitate. Acestui indicator esențial i se
asociază și cel privind calitatea produselor și împre ună asigură ascensiunea sau
regresul întreprinderii, până la elimi narea de pe piață . În aceasta atmosfera reală de
tensiune și suspans permanente, car acteristice economiei de piață funcțională și
liberalizată , a apărut deja , la o parte dintre întreprinzătorii noștri , temerea
justificată, pri vind șansele pe care le vo r avea după intrarea în economia de piață
deja în funcțiune în UE și la consecințele p e care le vor avea de suportat.
Trebuie remarcat faptul că temerile sunt pe deplin justificate, deoa rece
milioanele de întreprinderi în funcțiune î n UE în ace asta etapă , au apărut datorită
dezvoltării economice și a evoluției ță rilor din Europa de Vest înc epând cu circa
cinci decenii în urmă , în condițiile economiei de piață încă de pe atunci, respectiv
de competiție și concu rență. Existența și funcționarea lor în etapa actuală pe piața
UE la un nivel de eficiență și performanță foarte ridicate se datoreaz ă satisfacerii
fără excepție de către fiecare patron și manager , în măsură cât mai mare , a tuturor
constrângerilor pieței. În plus aceasta satisfacere, care nu s -a întrerupt practic nici o
zi până în prezent din momentul intrării în funcți une, în perioada celor cinci decenii
trecute, a urmărit și urmărește folo sirea celor mai noi progrese tehnice și tehnolo –
gice în domeniul de interes al fiecărui manager . În acest sens , se monitorizează
Cuvânt înainte 13
permanent realiza rea indicatorului principal, respectiv costurile specific e (pentru
produ sul unitar realizat) la valori cât mai reduse, precum și calitatea cât mai ridi –
cată a produselor pentru asigurarea competitivității la nivelul concu renței pe piață .
Referindu -ne la ța ra noastră, în aceeași perioadă a ultimelor cin ci decenii,
condițiile au fost, așa cum se cunoaște, de la început , și s-au adâncit rapid , în sensul
deteriorării economice și sociale. Realizarea de mari întreprinderi și mamuți
industriali, care la finele anilor '980 produ ceau peste 80% din PIB , fiind p ermanent
sprijinite de stat, au sufocat orice alte ac tivități, inițiativa particulară fiind
inexistentă . Deci se poate constata faptul că , în aceeași perioada istorică de circa 50
de ani, adică aproximativ două generații umane (și aceasta precizare este
importantă) pe de o parte, țările din vestul Europei, plecând deja de la un nivel
econo mic inițial ridicat, au mers permanent în ritm susținut, în condițiile econo miei
de piaț a, prin creșterea eficienț ei, ajungând la performanțele cunos cute în prezent.
Pe de alta parte, economia țării noastre, plecând în același moment de la un nivel
deja mai redus, trecând apoi prin cincinalele economiei socialiste peste patru
decenii de regres permanent, a ajuns în anul 1990 în pragul colapsului.
În etapa actuală cele do uă economii, una foarte puternică, modernă și
eficientă din UE și cea a țării noastre mult slăbită, cu oarecare revenire după 15 ani
de tranziție, prin realizarea unei prime et ape de economie de piață, reprezentată
îndeosebi de cele peste 400.000 de IMM -uri mențio nate, î ntre care există deci
foarte mari diferențe, vor tre bui să coexiste pe aceeași piață a UE . Situația care va
apărea în primul moment, ținând seama de decalajul foarte mare la intrarea noastră
in UE, va fi, fără exagerare spus, una de șoc.
Șocul respectiv va fi resimțit de către fiecare patron în mod diferit,
proporțional cu decalajul care îi va separa individual, în noua situație de competiție
și concurența pe piața lărgită a UE, de toate celelalte parte nere cu același specific.
Factorul pri ncipal care este și primul element de comparație și de diferențiere î n
situația nouă , care acționează în mod obiectiv și direct asupra prețurilor de vânzare
pe piața lărgită este tocmai prețul de cost specific. Astfel piața este locul unde
participanții ne competitivi sunt înlăturați de concurență. Prețul de cost specific este
de fapt un indicator care sintetizează și reflectă modul în care fiecare patron de
întreprindere participant, indiferent de zona din piața lărgită în care este amplasată,
în condițiil e globalizării, a gestionat și monitorizat până î n momentul respectiv,
toate cheltuielile de producție, evidențiind în final eficienț a întregii activități. Aici
trebuie remarcat faptul că tocmai acțiunea de gestionare ș i monitorizare
necorespunzătoare a tu turor chel tuielilor de producție și în neconcordanță cu
cerințele de eficiență ale economiei de piață capitalistă, constituie punctul slab
esențial al unităților noastre economice în confruntarea cu partenerii din UE.
Originea acestei situații grele din țara noastră se a flă tot cu circa cinci
decenii în urmă, când sub sloganul de creștere cu orice preț a producției, a apărut și
s-a intensificat permanent fenomenul de risip ă care, prin mă surile politice luate era
necontrolată, ba chiar încurajată . Astfel î n anii '970 se recunoștea, chiar la cel mai
înalt nivel, că noi cheltuiam de patru ori mai mult decât în vestul Europei pentru
realizarea unei unități PIB. Deci risipa se instalase pe scară foarte largă ș i la un
nivel îngrijorător. Toată aceast a situație p ericuloasă, existentă pe perioada a două
14 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
generații, cele cinci decen ii, a contribuit ș i a condus, fără să fie percepută ca un
pericol național, la formarea și înrădăcinarea adâncă a unor mentali tăți dăunătoare,
care persistă încă în multe domenii de acti vitate. Aceste mentalități au avut deci tot
timpul să se manifeste și din păcate să creeze înțelegeri false și obișnuințe pericu –
loase pentru gene rația activă actuală, care conduc la frânarea eforturilor de redu –
cere a decalajelor și deci a șocurilor, la intrarea în UE. Consecința directă constă în
complicarea și agravarea multor probleme și după integrare, putând să apară multe
situații imprevizibile atât la nivel național, dar sigur la nivel individual, de firmă.
O astfel de situație foarte dificilă exis tă în mod deosebit în țara noastră într –
un domeniu de vârf, care constituie un factor vital în viața noastră zilnică, de acasă
sau în o rice activitate social -economică, domeniu de mare preocupare ș i deosebită
prioritate sub aspect oficial și anume cel al e nergiei electrice.
Acest domneiu a fost în perioada anterioară, a celor cinci decenii, se poate
afirma fără greșeală, de departe cel mai afectat de risipa menționată, având conse –
cințe foarte grele materiale și sociale, confirmate de puternica mentalitate care
dăinuie încă și datorită căreia, deși în prezent se discută sub diverse forme politice
și tehnice, încă nu apar rezultate. Trebuie precizat totuși, că situația menționată s -a
manifestat și continuă să existe în sectorul final al electroenergeticei, r espectiv cel
al consumului de energie electrică, în care de fapt se hotărăște soarta tuturor efor –
turilor tehnico -economice făcute în cele trei sectoare anterioare al e sistemului
electroenergetic.
În acest sector, în care de cinci decenii, în toate ță rile vest-europene, membre
în UE, a ac ționat, sub presiunea permanentă a leg ilor dure ale economiei de piață ,
creșterea continuă a eficienț ei și a economisirii energiei electrice de către fiecare
consumator casnic sau unitate industrială, la noi marea risipă, încurajată , a acționat
nestingherită. Ca exemplu se menționează faptul ca în marea industrie, care
reprezenta circa 80% din consum, se acordau de către stat cote de consum așa de
mari, încât pentru a nu fi reduse, deoarece aceasta însemna neîndepli nirea p lanului
de producț ie, se funcționa peste program ș i dumini ca cu agregatele slab încărcate
sau chiar în gol, numai pentru a putea consuma cota de energie electrică repartizată,
care în timp era chiar mărită. În aceste condiții, de reducere permanentă prin
economisire a consumului de energie electrică și așa redus, di n țările UE și cele ale
unei risipe de amploare și aceasta în creștere, în aceiași perioadă, din țara noastră,
se poate remarca decalajul foarte mare, ca să nu -l numim enorm , care exista î n
realitate la finele anului 1989 între consumatorii din UE și cei din țara noastră.
Este necesar , să se insiste încă asupra consumului de energie electrică ș i, în
mod deosebit î n unitățile industriale, deoarece energia electrică , prin poziția sa
generală de factor cu pon dere importantă î n complexul cheltuielilor de producție,
poate reprezenta până la 70% 80% din acestea , în întreprinderile energ ofage. Prin
aportul să u în funcționarea permanentă a fiecărui element component al oricărei
întreprinderi, impor tanța energiei electrice se situează , în multe cazuri , înaintea
celorlalte cheltuieli de producție, în mod deosebit prin influența hotărâtoare asupra
nivelului tehnic și al performanț elor tuturor ec hipamentelor din întreprindere.
Astfel, principalii ind icatori ce caracterizează modul de gospo dărire a
consumului de energie electrică într -o întreprindere, cum sunt; con sumul specific
Cuvânt înainte 15
de energie electrică, respectiv intensitatea electroenerge tică, gradul de automatizare
ș.a., constituie informațiile de bază asupra modului de funcționare a unei
întreprinderi în toate compartimentele. De asemenea , reflectă eficiența
managementului ș i șansele de competitivi tate în domeniul specific de activitate.
Cunoașterea în detaliu și , în mod deosebit , monitorizarea perma nentă , până
la ultimul motor, lampă electrică sau oricare alt receptor din fiecare dintre cele
peste 4 00.000 de IMM -uri din țara noastră, în vederea introducerii în practica
zilnică a conceptului, până în prezent neglijat, de eficientizare și economi sire a
consumului de energie electrică, reprezintă garanți a sigură a menținerii pe piață și a
progresului fiecărei întrepri nderi ș i, implicit , a afacerilor.
Se poate afirma faptul că gradul de eficientizare a consumului de energie
electrică într -o întrepri ndere reprezintă circa 70% din nivelul de efi ciență realizat
într-o anumită etapă a activității întreprinderii în ansamblu.
Atitudinea actuală, practic generală , a managerilor autohtoni de a se
preocupa de energia electrică num ai prin plata energiei consu mată, indicată de
contoare, reprezintă o eroare gravă cu consecințe imprevizibile, mai ales după
intrarea în UE. În plus, chiar ponderea cheltuielilor pentru energia electrică
consumată , în cheltuielile totale de producție ale fiecăr ei întreprinderi , va m ai
crește încă și după intrarea în UE, deoarece prețul energiei electrice , la noi raportat ,
la cel din UE, la care va trebui aliniat, este de circa 50%.
Toate aceste argumente și încă altele , de asemenea importante, care ar mai
putea fi adău gate, arată că în modul de a aprecia mecanismul realizării afacerilor în
condițiile actuale din țara noastră, de către oamenii de afaceri, între care pot fi
cuprinși patronii sutelor de mii de IMM -uri, este omis un factor esențial și anume
cel al eliminării risipei și a trecerii la e conomisirea energiei electrice.
Menținerea cu perseverență a atitudinii actuale datorită mental ității moștenite
de la cele două generații anterioare, fără să se conștientizeze și să se prezinte cu
toată insistența pericolele care există , reduc e în foarte mare măsura șansele
competitivității.
Astfel, în timp , se va putea constata cât de mare este acest handicap și ce
consecințe economice și sociale va aduce în primul rând pentru rela tiv tinerele
noastre IMM -uri. Măsurile necesare se pot stabili numai prin elaborarea de lucrări
de audit electroenergetic realizate pentru fiecare întreprindere, inclusiv IMM -urile,
de către personal autorizat. Ast fel se impune ca, î ntr-un timp cât mai scurt , fiecare
patron să procedeze, în concordanță cu interesul s ău, la elaborarea de lucrări de
audit, care vor constitui docume nte tehnico -economice de bază , în care se va
examina starea de funcționare a fiecărui compartiment și a întreprinderii în an –
samblu, propunându -se măsurile necesare pentru permanenta perfec ționare și
modernizare a tuturor activităților sp ecifice fiecărei întreprinderi.
De altfel, trebuie remarcat faptul , deosebit de relevant pentru toți între prin-
zătorii noștr i, că astfel de acțiuni cu semnificație unic ă pentru monitorizarea și
asigurarea cr eșterii succesului î n afaceri, au fost și sunt folosite cu o periodicitate
de 2-3 ani cu rezultate foarte bune, confir mate de menținerea lor pe piața, de către
toate milioanele de IMM -uri și nu numai , din UE. Cu aceste întreprinderi , cu per –
formanță ridic ată, vor acționa împreun ă, pe piața europeană lărgită , și patronii
16 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
autohtoni, care vor depăși șocul inițial și vor continua să se pregătească să facă față
concurenței.
Lucrările de audit electroenergetic, dată fiind importanța deosebită pe care o
au în înt reaga activitate dintr -o întreprindere, trebuie elaborate de către ingineri de
specialitate electroenergetică sau electrotehnică. Aceștia urmează să fie pregătiți
special în acest scop, ținând seama de progresele importante tehnice, economice și
sociale, c are au avut loc la fiecare consumator, datorită noilor structuri și
caracteristici ale echipa mentelor și proceselor tehnologice total diferite față de
situația din țara noastră anterioară anului 1990.
Pentru pregătirea la nivelul realităților prezente ș i cel puțin pentru o pers –
pecti vă de 5-10 ani a specialiștilor în auditare și , mai ales , pentru pregătirea unitară,
la nivel profesional corespunzător cerințelor etapelor la care se referă, precum și
pentru fluidizarea procesului de pregătire, un colectiv de profesori universitari cu o
bogată experiență în domeniu a elaborat, pentru utilizarea în acest scop, manualul
de față pentru pregă tirea și activitatea auditorilor în electroenergetică. Acest
manual conține concentrat , în toate capitole le, cunoștințele teoretice, tehnice, eco –
nomice și sociale , pe care trebuie să le posede un astfel de auditor pentru întocmi –
rea unui audit (bilanț) electroenergetic de nivel corespunzător , ținând seama de
particularitățile fiecărei întreprinderi.
Un prim avantaj import ant al manualului îl constituie faptul că prin conți nu-
tul și dimensiunile sale, în afara folosirii pentru pregătire, poate și trebuie să înso –
țească pe auditor în permanentă atât pentru elaborarea lucră rilor de audit cât și
pentru împrospătarea permanen tă a cunoștințelor, fiind deci necesar ca fiecare
auditor să -l posede. Un alt avantaj al manualului îl constituie modul de organizare a
conținutului, întrucât capitolele sale pot fi și capitolele unei lucrări de audit, chiar
în ordinea din manual, reținând numai pe cele corespunzătoare întreprinderii auditate.
Și alte probleme, de asemenea importante, privind organizarea și
desfășurarea activității de auditare electroenergetica în țara noastră, care se impune
să fie revigorată, necesitatea ei datând cu mai mulți ani în urmă, reclamă o urgenț ă
maximă. Toate acestea vor trebui sa fie rezol vate de instituțiile competente și cu
responsabilități în problemele stringente de eficientizare și economisire a energiei
electrice în întreg sectorul de consum din țara no astră, cu structura lui complet
nouă și în continuă dezvoltare și modernizare. Este vorba, în principal, de regle –
mentări care să permită simplificarea și fluidizarea pregătirii specialiștilor în
domeniul auditului electro energetic , precum și de modul de organizare a activității
lor. Aceasta organizare s -ar put ea face sub forma unor unități și activități de con –
sultanță, ca și î n străinătate, cu specificul respectiv, independente de consu matori,
deoarece marea majoritate a acestora , și exemplul cel mai elocvent îl constituie
sutele de mii de IMM -uri, nu au și nici nu este necesar să aibă în structura proprie
astfel de personal.
În concluzia acestei introduceri, în care s -a căutat să se prezinte cât mai
multe argumente reale și credibile rezultate din ult ima perioadă, de peste cinci
decenii, de declin economic al țării noastre, care a condus la formarea unor
mentalități periculoase în multe domenii de activitate, printre care și în sectorul de
consum al energiei electrice, se consideră că se i mpune o atitu dine total diferită de
situația actuală , corespun zătoare cerințelor de competitivitate și de concurenta ale
economiei de piață .
Cuvânt înainte 17
În acest sens , este neces ar ca, față de rămânerea în urmă, alarmantă , în
privința monitorizării și eficientizării consumului de energie electrică și de
interesul deosebit pe care se speră că , în sfârșit și -l vor descoperi consumatorii
avizați după intrarea UE, vor apela în cel mai scurt timp la auditorii
electroenergetici existenți. Aceștia vor trebui să -i ajute , prin măsurile p e care le vor
propune , să depășească, atât șocul inițial, la intrarea în piața lărgită din Uniunea
Europeană, precum și pentru desfășurarea unei activități îndelungate prin
eficientizarea și economisirea permanentă a consumului de energie electrică în
întreprinderile respective.
Desigur că reducerea consumurilor energetice în cadrul întreprinderii, prin
adoptarea unor măsuri de limitare a pierderilor și prin implementarea tehnologiilor
moderne, caracterizate de randamente ridicate și o calitate superioară a produselor,
are o influență importantă asupra indicatorilor economici ai întreprinderii, prezen –
tând un interes deosebit la nivel local.
Reducerea consumurilor specifice de energie are și un un important aspect
general prin limitarea energiei consumate ș i deci limitarea poluării mediului
ambiant datorită energiei electrice care nu mai trebuie produsă în centralele
utilizând combustibili fosili.
Atenția deosebită acordată de către organismele naționale și internaționale
eficienței energetice și reducerii pierderilor de energie urmărește în special
impactul con sumului de energie asupra mediu lui ambiant. Î n medie, s e poate
considera că orice kWh neconsumat permite reducerea poluării mediului ambiant
cu circa 1 kg CO 2 . În acest sens, este larg întâlnită eval uarea energiei neconsumată
prin creșterea eficienței energetice în „negajouli" .
Studiile și cercetările în domeniul eficienței energetice și dezvoltarea tehno –
logică au permis elaborarea de noi soluții eficiente de economisire a energiei, noi
tehnologii eficiente energetic și creșterea calității produselor realizate.
Un impact important, în acest sens, îl are introducerea sistemelor bazate pe
electronica de putere pentru reglarea adaptivă a necesarului de energie electrică în
funcție de proces. Utilizare a schemelor cu electronică de putere a condus la o uti –
lizare rațională a energiei, cu creștrea randamentelor proceselor și limitarea pierde –
rilor de energie. În același timp, au apărut noi probleme, determinate de caracterul
neliniar al sarcinilor electri ce. Având în vedere faptul că obținerea unor indicatori
economici ridicați pot fi obținuți numai în condițiile asigurării unui nivel ridicat al
calității energiei electrice, perturbațiile electromagnetice determinate de cele mai
multe dintre receptoarele m oderne de energie electrică pot afecta indicatorii de ca –
litate. În prezent există soluții tehnice eficiente pentru limitarea perturbațiilor deter –
minate de funcționarea receptoarelor perturbatoare. Soluții utili zate pentru limita –
rea perturbațiilor treb uie să fie luate în considerare, în cadrul auditului energetic,
atât prin pierderile de energie pe care le antrenează, cât și prin costurile de inves –
tiție și mentenanță.
Desigur că orice întreprindere are specialiști care pot să ofere soluții pentru
reducerea consumurilor de energie electrică. Antrenarea unor experți din exterior,
cu o amplă experiență în domeniu, se dovedește totdeauna utilă întreprinderii, prin
modul profesionist de realizare a auditului, prin soluțiile tehnice propuse, dar și
prin cons ultanța privind modul practic de finanțare și implementare a acestora.
Manualul de față va constitui , cu certitudine , un ajutor de bază și permanent
18 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
pentru realizarea dezideratului urmărit, de a contribui în mod substanțial la
formarea unei noi atitudini a fiecărui patron autohton, corespunzătoare tuturor
cerințelor obiective ale oricărei economii de piață funcțională și în primul rând
interesului propriu. De asemenea, manualul își propune să ofere specialiștilor din
întreprindere și auditorilor o serie de aspecte moderne privind modul de abordare șî
rezolvare a problemelor legate de eficiența energetică în procesele de utilizare a
energiei electrice.
În cadrul lucrării sunt prezentate și exemple privind soluții moderne speci –
fice tehnolo giilor industriale actuale. În finalul lucrării este prezentat și un exemplu
concret de analiză energetică a unui important receptor de energie electrică din
industrie.
2
INSTALAȚII ELECTRICE DE
ALIMENTARE DIN REȚ EAUA
ELE CTRICĂ PUBLICĂ . AMPLASARE,
SCHEME ELECTRICE ȘI CARACTERISTICI
2.1 Aspecte generale
Obiectivul principal în funcționarea rețelelor electrice constă în alimentarea
cu energie electrică a consumatori lor, cu respectarea standar delor și reglementărilor
energetice care privesc proiectarea, construcția, exploatarea, mentenanța , distribuția
și furnizarea energiei electrice.
Pentru îndeplinirea acestui obiectiv rețelele electrice trebuie să îndeplinească
următoarele cerințe tehnico – economice:
Siguranța în funcționare – reprezintă ansamblul măsurilor care se adoptă
atât în proiectarea cât și exploatarea instalațiilor electrice, astfel încât acestea să su –
porte solicitările care apar , fără întrerupere în funcționare sau durata acestor între –
ruperi să fie câ t mai redusă. Respectarea acestei cerințe impune realizarea următo –
rilor indicatori de fiabilitate pe o perioadă determinată de timp, de regulă un an:
numărul mediu , respec tiv numărul maxim de întrerup eri;
durata medie, respectiv durata maximă a unei întreruperi;
Calitatea energiei electrice – se apreciaz ă prin indicatori de calitate a mări-
milor electrice specifice, tensiune, frecvență și respectiv ai serviciului de furnizare
a energiei electrice p rin duratele de întrerupere a alimentării. Indicatorii de calitate
se stabilesc în punctele de delimitare între instalațiile electrice ale furnizorului și
consumatorului constituind sarcina:
furnizorului pentru: frecvență, amplitudinea tensiunii, goluril e de
tensiune, supratensiunile temporare și tranzitorii, durata întreruperilor;
consumatorului pentru: armonice și interarmonice , fluctuații de
tensiune, nesimetrii.
Valorile admise pentru majoritatea indicatorilor de calitate sunt reglementate
prin stan darde și prescripții energetice [2.1, 2.2 , 2.3].
Economicitatea – presupune ca prin aplicarea unor criterii tehnico –
economice și a unor metode de optimizare în proiectarea și exploatarea rețelelor
electrice, să se obțină o eficiență maximă în raportul v enituri – cheltuieli. Utilizarea
acestor criterii și metode permite rezolvarea unor probleme ca [2.4]:
54 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
alegerea soluțiilor de realizare a obiectivelor energetice;
stabilirea regimurilor optime din punct de vedere economic în
funcționarea echipamentelor (linii electrice, transformatoa re de putere etc.);
stabilirea configura țiilor sau reconfigurarea rețelelor electrice de
transport și distribuție în vederea obținerii unei repartiții economice a puterilor.
Impactul asupra mediului – are în vedere reduc erea sau eliminarea
următoarelor tipuri de impact ale obiectivelor energetice asupra mediului:
impactul ecologic, datorat poluării solului, aerului, apei, ocuparea
diferitelor categorii de terenuri, deteriorarea vegetației, faunei etc.;
impactul electr omagnetic asupra oamenilor sau aparatelor electro –
casnice datorită amplasării rețelelor în zonele locuite sau datorită apariției unor
fenomene nedo rite (supratensiuni de trăsnet) ;
impactul vizual, datorat modului de amplasare al rețelelor electrice
(linii electrice, stații și posturi de transf ormare etc.) în mediul înconjurător;
2.2 Conectarea consumatorilor la rețeaua electrică
2.2.1 Introducere
Pentru racordarea unui consummator la RED sau RET este necesar să se
cunoască următoarele date tehnice ge nerale asupra locurilor de consum [2.5]:
a) Date de identificare a le consumator ului (denumire, adresă, telefon etc.);
b) Date generale asupra obiectivului energetic (locului de consum):
denumirea obiectivului (locului de consum);
plan de încadrare în z onă și plan amplasament pentru locali zarea
obiectivului;
specificul activității desfășurate și modul de lucru pe schimburi.
c) Date energetice
puterea totală instalată și puterea activă maximă simultan absorbită
pe o perioadă de minimum 5 ani;
puterea activă absorbită și instalată la tensiunile nominale de
utilizare a energiei electrice;
durata maximă de întrerupere a alimentării cu energie electrică
acceptată de consumator;
numărul căilor de alimentare solicitat de consumator;
factorul de put ere mediu la care va funcționa consumatorul;
d) Alte informații asupra locului de consum:
caracteristicile tehnice ale surselor de alimentare proprii ale
consumatorului;
datele energetice complete pentru subutilizatorii alimentați cu
energie electrică din același obiectiv energetic;
date privind regimul de funcționare al receptoarelor electrice, cu
regim de șocuri, regim deformant sau regim nesimetric.
După puterea maximă absorbită în locurile distincte de consum, consu –
matorii s e clasifică în două ca tegorii [ 2.3]:
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 55
mari consumatori , cu puteri active maxime absorbite de peste 100 kW;
mici consumatori , cu puteri active maxime absorbite de maximum 100 kW.
2.2.2 Reguli privind conectarea consumatorilor la rețelele
electrice ale distri buitorului
Racordarea unui consumator (loc de consum) la rețeaua electrică se face
dintr -o singură sursă printr -o singură cale de alimentare. Aceasta reprezintă calea
de alimentare de bază și corespunde puterii maxime (de calcul) de durată a locului
de consum [2.5].
Realizarea unei (unor) căi de alimentare suplimentare de rezervă, se face la
cererea consumatorului în cazul în care acesta dorește îmbunătățirea indicatorilor
de siguranță în funcționarea instalațiilor. Calea de alimentare suplimentară se po ate
realiza
din aceeași sursă cu alimentarea de bază sau o sursă diferită
cu rezervare parțială sau totală (100 %) a puterii maxime de durată
absorbită.
Consumatorul are obligația de a -și prevedea surse de intervenție
independente de rețeaua electric ă a furnizorului, pentru alimentarea cu energie
electrică a receptoarelor electrice a căror întrerupere poate produce accidente
umane sau distrugeri de utilaje.
În cazul în care racordarea unui loc de consum se face la medie sau joasă
tensiune dintr -o staț ie sau post de transformare din RED, se recomandă respectarea
următoarelor reguli de echipare a acestora cu transformatoare de putere
Stațiile și posturile de transformare care alimentează consumatori
industriali sau similari se echipează de regulă cu d ouă transformatoare se poate
prevedea un singur transformator în următoarele situații
daunele provocate de întreruperea alimentării cu energie electrică
sunt mici sau pot fi recuperate și nu se justifică din punct de vedere economic
instalarea a două t ransformatoare
rezervarea alimentării de bază se poate realiza parțial sau total dintr –
o altă rețea de medie tensiune pentru stațiile de transformare sau de joasă tensiune
pentru posturile de transformare.
Stațiile și posturile de transformare pentru distribuție publică și alimentare a
altor consumatori care acceptă condiții similare de siguranță, se echipează de
regulă cu un singur transformator se admite instalarea a două transformatoare în
următoarele cazuri
rezervarea alimentării cu energie elec trică a rețelei electrice de
medie respectiv joasă tensiune, se face de pe barele aceleași stații respectiv post de
transformare
stația sau postul de transformare alimentează o zonǎ de consum
mixt, distribuție publică și consum industrial sau similar.
Conectarea consumatorilor (locurilor de consum) se efectuează de regulă în
RED (rețele cu Un 110 kV) și numai pentru marii consumatori cu puterea
56 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
maximă de durată absorbită peste 50 MVA alimentarea cu energie electrică se
poate realiza și din RET (rețele cu Un 220 kV). În tabelul 2.1 sunt prezentate
soluții uzuale de con ectare a marilor consumatori în rețeaua electrică publică.
Alimentarea marilor consumatori se poate face din rețelele de înaltă și foarte
înaltă tensiune, iar consumatorii de puteri mai reduse sunt conectați în rețeaua de
20 kV. Consumatorii cu puteri reduse (locuri de consum cu puteri maxime
absorbite de până la 100 kW) sunt alimentați din rețeaua electrică de joasă tensiune
(tensiunea nominală de 0,4 kV).
2.2.3 Cerințe privind stabilir ea soluției de conectare
a consumatorilor în rețelele electrice
Pentru alimentarea cu energie electricǎ a consumatorilor este necesar să se
aibă în vedere rezolvarea următoarelor probleme ce privesc soluția de conectare
Cunoașterea configurației, a structurii, a caracteristicilor tehnice și a
datelor energetice ale RED și/sau RET existente în zona de amplasament a locului
de consum
Alegerea tensiunii nominale a punctului de conectare a instalațiilor de
alimentare cu energie electrică a consumat orului tensiunile nominale reglementate
pentru rețelele electrice de tensiune alternativă sunt prezentate în tabelul 2.2 [ 2.6];
Tabelul 2 .1
Clasele de mari consumatori, după puterea maximă de durată absorbită
Clasa Sarcina
maximǎ de
duratǎ
MVA Momentul
sarcinii
MVA·km Treapta de
tensiune minimǎ
în punctual de
record
kV, Posibilitǎți de alimentare a
consumatorului
Direct la
tensiunea
rețelei zonale ,
kV prin
transformator
kV/kV
A peste 50 peste 1500 400
220*
110
220*
110 400/110
220*/110
220*/20
110/20
B 7,5 – 50 max. 1500 110 110 110/20
C 2,5 – 7,5 30 80 110
20 110
20 110/20
20/6*
20/0,4
D 0,1 – 2,5 max. 8
max. 3 20
10*; 6* 20
10*; 6* 20/0,4
10*(6*/0,4)
* Tensiuni existente care nu se mai dezvoltǎ
Stabilirea configurației și structurii rețelelor electrice de alimentare cu
energie electrică a locului de consum, în strânsă corelare cu rețelele electrice
existente și a nivelului de rezervare (continuitate) solicitat de consumator
Dimensionarea elementelor componente ale RED sau RET precu m și a re –
țelelor electrice de alimentare pentru asigurarea capacității de trans port în condițiile
unei funcționări economice și eficiente (pierderi de putere și energie electrică
minime, abateri procentuale ale căderilor de tensiune în limitele admise et c.)
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 57
Tabelul 2 .2
Tensiunile nominale a le rețelelor electrice de tensiune alternativ ă
Un, kV 0,230,4* 0,40,69* 0,1 6** 10** 20*** 110 220 400
Abaterea
procentuală
admisă U,% 10 10 10 10 10 10 10 10 5
* Rețele electrice de distribuție cu patru conductoare
** tensiuni no minale folosite în instalațiile de utilizare ale consumatorilor, dar care nu se ma i
dezvoltă în RED.
*** în condiții normale de funcționare, excluzând întreruperile, pe durata fiecărui interval de o
săptămână, 95% dintre valorile efective ale tensiunii de alimentare trebuie să se afle în intervalul
Uc ± 10%, în care Uc este tensiu nea contractată.
Obținerea unor valori ale curenților electrici de scurtcircuit care sǎ verifice
din punct de vedere tehnic și electrodinamic cǎile de curent electric, aparatele și
echipamentele electrice;
Alegerea sistemelor de protecție prin relee și automatizări ale rețelelor
electrice de alimentare și corelarea reglajelor acestora cu sistemele de protecții și
automatizări ale echipamentelor existente în RED sau RET.
2.3 Aspecte economice
2.3.1 Considerații generale
Compararea soluțiilor tehnice și stabilirea variantei optime din punct de
vedere economic se efectuează pe baza unor criterii de analiză tehnico -economică
pentru fiecare variantă luată în calcul.
Utilizarea criteriilor de analiză tehnico -economică permite cercetarea
următoarelor pro bleme sub aspectul economicității în concepția și exploa tarea
obiectivelor energetice
stabilirea soluțiilor sau variantelor constructive pentru rețelele electrice
optimizarea regimurilor permanente de funcționare
alegerea (stabilirea) schemelor d e conexiuni pentru rețelele electrice, astfel
încât acestea să fie simple, sigure și să permită elasticitate în exploatare.
2.3.2 Criterii economice de evaluare a investiției
2.3.2.1 Criteriul cheltuielil or totale actualizate minime (CTA )
Acest criteriu a fost utilizat în sistemul energetic, p e o perioadă mare de
timp, și reprezintă o metodă de comparare a variantelor posibile de realizare a unor
obiective energetice sau de aplicare a unor soluții constructive, ce privesc moder –
nizarea sau recuperarea in stalațiilor electrice existente. Metoda are în vedere în
principal trei factori: cheltuielile de investi ții, cheltuielile de exploatare –mente –
nanță , inclusiv cele datorate pierderilor de energie electrică și factorul timp prin
care se realizează actualizar ea valorilor bănești.
Expresia matematică a CTA , considerând momentul începerii lucrărilor ca
moment al actualizării are, în cazul cel mai general , forma [2.4, 2.7]:
58 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
,) 1( ) 1(1 1
11 1
m
nm
nii
rin
im
nii
ip exi
ech i
a W a Wa D C C a II CTA
(2.1)
în care Ii sunt cheltuielile de investiții efective în a nul i, compuse din investițiile
directe, colaterale și conexe; valoarea investițiilor se estimează pe baza costurilor
specifice pe tipuri de instalații; Iech investiții de echiva lare; permit compararea
variantelor din punct de vedere al pierderilor de putere activă; se calculează pe baza
costurilor de instalare a unui kW în centrala electrică etalon pe combustibil
marginal (păcură) și se ia în consi derare o singură dată în primul an de începere a
lucrărilor, sau atunci când apar modificări ale pierderi lor de putere activă pe durata
execuției lucrărilor; a rata anuală de actualizare, corespunzătoare duratei normate
de recuperare a cheltuielilor de investiții ( Tn); permite actualizarea sumelor chel tu-
ite în anul i la primul an de începere a lucrărilor de investiții, prin multi plicarea
termenilor din relația CTA cu factorul de actualizare, (1+ a)i ; Cexi cheltuieli
anuale de exploatare -mentenanță a instalațiilor electrice, care se iau în considerare
după punerea în funcțiune a instalațiilor în anul i, ca procent din valoarea investi –
țiilor directe; Cpi cheltuieli anuale datorate pierderilor de energie electrică activă
în echipamentele electrice, linii și transformatoare de putere, în anul i; Di – valoa –
rea daunelor probabile în anul i, ca urmare a întreruperilor în alimentarea cu ener –
gie electrică ; Wri valoarea rezidulă a instalațiilor electrice înlocuite sau dezafec –
tate în anul i din perioada luată în studiu; reprezintă valoarea neamortizată sau
valoarea de întrebuințare a acestor instalații el ectrice; Wn valoarea remanentă;
reprezintă valoarea instalațiilor electrice (mijloace fixe) care rămân în funcțiune
după perioada luată în studiu; această valoare se calculează în funcție de cheltu ieli-
le de investiții directe și durata normată de viață a instalațiilor; n durata de exe –
cuție a lucrărilor de investiții sau reparații; m durata normată luată în studiu, care
se consideră de 10 20 ani, în funcție de perioada de prognoză cunoscută a situ a-
ției energetice.
Criteriul cheltuielilor tota le actualizate permite analiza calitativă și cantita –
tivă a soluțiilor ce se compară și conduce la adoptarea deciziei optime din punct de
vedere tehnic și economic, prin alegerea și aplicarea variantei ce prezintă valoarea
minimă a C TA. Metoda permite ier arhizarea numai a oportunităților de investire
care produc același efect util; nu permite estimarea profitabilității soluției propuse,
promovarea acesteia putând conduce la pierderi financiare pentru investitor, chiar
în condițiile unor cheltuieli minime.
În prezent, pentru evaluarea economică a soluțiilor în domeniul energetic
sunt utilizate în special criterii care țin seama de veniturile anuale aduse de o solu –
ție sau alta (criterii de tipul VNA ).
2.3.2.2 Criteriul venitului net actualizat (VNA)
Aceas tă metodă compară fluxurile viitoare de bani (venituri și cheltuieli),
actualizate în prezent, cu valoarea investiției inițiale. Reprezintă, în tr-o formă
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 59
sintetică, eficiența investiție i realizate pentru o perioadă d e timp considerată și o
rată de actualiz are stabilită. Decizia privind realizarea investiției se ia dacă VNA0.
Dacă sunt în discuție mai multe proiecte alte rnative se alege proiect ul cu VNA
maxim (prin convenție se consideră veniturile cu semn pozitiv și cheltuielile cu
semn negativ).
]lei[
)1() (
)1(1 1
m
im
iipi i i
ii
aCI V
aAVNA
. (2.2)
în care Ai este fluxul anual de bani în anul i.
Principalul avantaj al metodei VNA constă în faptul că ia în considerație
toate informațiile relevante, măsurabile, pentru o oportunitate de investire și furni –
zează informații clare, ce pot fi interpretate simplu.
2.3.2.3 Indicele de profitabilitate
Indicele de profitabilitate Ip reprezintă raportul dintre suma beneficiilor
anuale actualizate și suma cheltuielor anuale actualizate, pe perioada de studiu con –
siderată
m
iipi im
iii
p
aCIaV
I
11
)1()1(
. (2.3)
Pentru acceptarea unei investiții este necesar ca indicele de profitabilitate să
fie supraunitar.
2.3.2.4 Criteriul ratei interne de rentabilitate ( RIR)
Rata internă de rentabilitate se calculează ca fiind rata de actualizare care,
aplicată unui flux de bani, conduce la un venit net actualizat VNA = 0.
m
iii
RIRAVNA
10
) 1(
. (2.4)
Criteriul general de acceptare a unei investiții este RIR > alim în care alim
corespunde, în mod obișnuit, ratei dobânzii pe piață.
La determinarea RIR pentru investiții care se desfășoară pe mai mulți ani este
necesară rezolvarea unor ecuații polinomiale dificile. În general se utilizează o
metodă simplificată de interpolare.
2.3.2.5 Metoda duratei de recuperare actualizate (DRA)
Această metodă determină durata pentru care, cu rata de rentabilitate
stabilită, se obține un venit net actualizat VNA = 0
DRA
iii
aAVNA
10
)1(
. (2.5)
60 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Durata de recuperare actualizată definește capacitatea investiției de a restitui
capitalul investit prin benefici ile obținute din exploatarea acestuia și este egală cu
intervalul de timp în care beneficiile acumulate egalează valoarea investiției.
Durata de recuperare actualizată se compară cu o durată normată de recupe –
rare. Lucrările de investiții și reparații ce se execută în rețelele electrice de medie și
joasă tensiune, se consideră eficiente dacă durata de recuperare DRA este mai mică
cel mult egală cu durata normată, de recuperare a cheltuielilor de investiții sau
reparații Tn .
2.4 Scheme de conexiuni pentru rețelele electrice
2.4.1 Configurația rețelelor electrice ale distribuitorului
de energie electrică
Configurația unei rețele electrice sau unui zone de rețea reprezintă structura
conexiunilor (legăturilor) între echipamentele și elementele componente ale
acestora, linii electrice, transformatoare de puter e, aparate primare de comutație
etc. în regim normal de funcționare.
La stabilirea configura ției unei rețele electrice ( RE) se au în vedere sistemele
de protecție prin relee și automatizări care echipează în special liniile și transfor ma-
toarele de putere.
Se disting următoarele con figurații de rețele electrice [2.8 ]:
Rețele electrice radiale cuprind linii electrice care fac legătura între o
singură sursă de energie electrică și unul sa u mai multe puncte de consum; punctele
de consum pot fi amplasate în sfârșitul liniei electrice , de-a lungul liniei electrice ,
sau alimentate prin ramificații racordate la linia electrică;
Rețele electrice buclate sunt zone de rețea alimentate , în genera l, din două
până la patru surse de energie electricǎ; în acest caz liniile electrice și aparatele de
comutație ale acestora realizează o legătură continuă prin barele colectoare ale
stațiilor de conexiuni conectate în rețea și sursele din sistemul electroe nergetic.
Această configurație este specifică rețelelor de distribuție cu tensiunea nominală de
110 kV.
Funcționarea buclată , deși mărește nivelul de siguranță, respectiv asigură un
nivel ridicat în continuitatea alimentării cu energie electrică a consumat orilor,
implică cheltuieli de investiții mai mari pentr u elementel e constructive ale rețelei
electrice și de realizare a protecțiilor prin relee.
Pentru reducerea cheltuililor de investiții, rețelele electrice p ot fi concepute
într-o configura ție buclată, dar regimul lor de funcționare să fie radial (cazul
rețelelor electrice de medie și joasă tensiune al imentate la capete și secționate într-
un punct de conexiune al liniilor electrice).
Rețelele electrice complex buclate (strâns interconectate ) sunt carac teri-
zate de o legătură permanentă între echipamentele componente linii electrice,
transformatoare sau autotransformatoare de putere și de numărul mare al surselor
de putere.
Interconectarea se poate realiza atât între instalațiile electrice cu aceeași
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 61
tensiune nominală cât și între instalații cu tensiuni nominale diferite prin inter me-
diul transformatoarelor sau autotransformatoarelor de putere.
Funcționarea într -o configureție complex buclată specifică rețelelor electrice
de transport, implică utilizarea unor sisteme complexe de protecții prin relee și
aparate de comutație performante.
2.4.2 Scheme electrice de alimentare a consumatorilor
din rețeaua de transport
Rețelele electrice de transport reprezintă principala sursă de alimentare cu
energ ie electrică a marilor consumatori, conectarea acestora efectuându -se la
tensiunile de 400 kV, 220 kV sau 110 kV. Numărul punctelor de alimentare se
alege î n funcție de nivelul de siguranță solicitat de consumator .
2.4.2.1 Schemă de alimentare cu două c ircuite de tip racord adânc
(bloc linie – transformator) la tensiunea nominală de 400 kV
Stația de conexiuni 400 kV din cadrul RET poate fi de tip H ( fig. 2.1 ) sau
poligonală (patrulater) [2.9] . Liniile electrice de racord sunt de regulă d e tip aerian
simplu sau dublu circuit, cu lungimi de până la 10 km. Stația de conexiuni 110 kV
a consumatorului este realizată cu bare colectoare duble din care una este secțio –
nată acest sistem de ba re colectoare permite conectarea unui număr mare de cel ule
de 110 kV.
Sistemele de protecții, automatizări și de teledeclanșare a între ruptoa relor,
pentru blocul linie – transformator sunt controlate din stația operatorului de transport.
Stație 400 kV Linie L1
Linie L2 Stație 110 kV la
consumator Linie L3 400 kV
Linie L4 400 kV T1
400/110 kV
T1
400/110 kV Linie L1 110 kV
Linie L2 110 kV
Fig. 2.1 Schemă de alimentare din rețeaua de transport la tensiune de 400 kV.
2.4.2.2 Schemă de alimentare cu trei cir cuite de tip racord adânc
(bloc linie – transforma tor) la tensiunea nominală de 11 0 kV
Alimentarea consumatorului se efectuează din două stații de 110 kV (fig.
2.2) care reprezintă surse distincte din sistemul electroenergetic. Stațiile de co –
62 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
nexiuni A și B sunt concepute, în general, cu bare colectoare duble ceea ce permite
conectarea unui număr mare de celule și prezintă un nivel de siguranță ridicat.
Liniile electrice de racord la stațiile A și B pot fi de tip aerian (simplu și sau
dublu circuit) s au în cablu, situație în care separatoarele de borne 110 kV ale
transformatoarelor de putere nu se mai prevăd.
Fig. 2.2 Schemă de alimentare din reț eaua de transport la tensiunea
de 110 kV. Stația A
110 kV Linia L A 110 kV Linia L B 110 kV
Stația B
110 kV
Linia L 1
110 kV Linia L 2
110 kV Linia L 3
110 kV
T1
110/20 kV T2
110/20 kV T3
110/20 kV
A 20 kV B 20 kV
Stația 20 kV
la consumator
Stația de transformare la consumator poate fi r ealiz ată cu două stații de
conexiuni , fiecare echipată cu bare colecto are d uble. Transformatorul de putere T3
asigură rezervarea consumului alimentat de oricare dintre transfor matoarele de
putere T 1 sau T 2, în mod automat sau manual .
Fiecare bloc linie –transformator este echipat cu sisteme de protecție,
automatizări, tele declanșare întreruptoare, semnalizări, prin utilizarea unei legături
informatice între stațiile de sistem și stația consumatorului.
2.4.2.3 Schemă de alimentare din două surse la tensiunea
nominală de 110 kV
Cele două surse de alimentare a consumatorului sunt (fig. 2.3)
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 63
stația de conexiuni A – 110 kV
stația de conexiuni B – 400 kV, cu un sistem de bare colectoare duble .
Liniile electrice de racord L 2 și L 3 sunt de regulă de tip aerian, dar pot fi
construite și în cablu aceste linii sunt echipate cu protecțiile și automatizările
clasice acestor echipamente.
Fig. 2.3 Schemă de alimentare din rețeaua de 110 kV. Stația A
400 kV Stația B
110 kV
T
400/110 kV
L1
110 kV L2
110 kV L3
110 kV
Stație 110 kV
la consumator
Linia electrică de racord L 1 , în construcție aeriană sau în cablu, funcționează
bloc cu transformatorul 400 110 kV sistemele de protecții, automatiz ări și
teledeclanșare a întreruptoarelor sunt controlate din stația operatorului de transport .
Stația de conexiuni 110 kV a consumatorului poate fi concepută cu bare
colectoare duble din care una secționată, ceea ce permite racordarea unui număr
mare de c elule 110 kV și prezintă un nivel de siguranță ridicat.
2.4.3 Scheme electrice de alimentare a consumatorilor
din rețeaua de 110 kV a operatorului de distribuție
Rețelele electrice de distribuție cu tensiunea nominală de 110 kV constitue
sursele principale de alimentare cu energie electrica a marilor consumatori, precum
și a celorlalte categorii de consumatori , amplasați în zone de consum , urban sau
rural și care solicită aceleași condiții de funcțio nare ca și marii consumatori .
64 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
O caracter istică generală , din punct de vedere constructiv pentru rețelele
electrice ale operatorului de distribuție este faptul că liniile electrice sunt de tip
aerian, simplu sau dublu circuit.
Din punct de vedere funcțional o rețeaua electrică cu tensiu nea nominală de
110 kV este aliment ată din minim două surse din sistemul electroenergetic, care
pot fi stații de conexiuni ale centralelor electrice sau ale operatorului de transport .
2.4.3.1 Schema de alimentare sistem intrare – ieșire
Această schemă pe rmite realizarea și păstrarea caracteristicilor de funcțio –
nare în buclǎ a unei rețele electrice de distribuție cu tensiunea nominală de 110 kV
numărul maxim de stații racordate în buclă între sursele SEE este de șase (fig. 2 .4).
Fig. 2.4 Schemă de alimentare sistem „intrare -ieșire" din rețeaua de 110 kV a operatorului
de distribuție. SEE
LEA
110 kV SEE
110 kV
Stație 110/20 kV
Stație 110/20 kV 110 kV Stație 110/20 kV 110 kV LEA
110 kV LEA
110 kV
LEA
110 kV
Schema din figura 2.4 asigură un grad de continuitate ridicat chiar în cazul
unui defect în orice punct din buclă în plus se poate realiza și o rezervare pe partea
de medie tensiune, prin liniile electrice cu posibilități de buclare la această ten –
siune. Sistemul de racordare „intrare – ieșire″ reprezint ă schema tip pentru conec –
tarea stațiilor de transformare sau conexiuni în rețeaua de 110 kV a operatorului de
distribuție .
Stațiile de conexiuni 110 kV pot fi realizate fie cu bare colectoare simple, de
regulă dublu secționate prin sep aratoare, pentru un număr de 4 6 celule, fie cu
bare colectoare duble în cazul unui număr mai mare de celule stațiile de conexiuni
de medie tensiune pot realizate cu bare colectoare simple secționate printr -o cuplă
longitudinală sau cu bare colectoare duble atunci când se solicită un nivel de
siguranță mărit.
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 65
2.4.3.2 Schema de alimentare sistem „derivație "
Această soluție de conectare la rețeaua de 1 10 kV a operatorului de
distribuție a unor stații de transformare 110 /20 kV se utilizează pentru alimentarea
cu energie electrică a unor consumatori , în special, din zonele rurale (fig. 2 .5).
Fig. 2.5 Schemă de alimentare sistem „derivație" din rețeaua
de 110 kV a operatorului de distribuție. SEE LEA 110 kV dublu circuit
110 kV
T
110/20 kV SEE
20 kV
Stația de transformare 110 /20 kV se conectează în derivație prin una sau
două linii electrice la rețeaua de 110 kV a operatorului de distribuție , printr -o LEA
de 110 kV , dublu circuit, numai prin separatoare. Se obține astfel o reducere a nu –
mărului aparatelor din circuitele primare ale celulelor de linie, inclusiv a sistemelor
de protecții și automatizări. Echiparea celorlalte celule de 110 kV (pentru transfor –
matoarele de putere) și respectiv 20 kV, atât din punct de vedere al instalațiilor
primare cât și secundare, se realizează clasic.
2.4.3.3 Schema de alimentare radială de tip″ racord adânc″
Schema s e utilizează , în general, pentru alimentarea unor consumatori
concentrați pe o zonă restrânsă ca arie și consum mai mare de 2,5 MVA.
În varianta obișnuită (fig. 2 .6), liniile elec trice, de regulă două, conectate la
barele colectoare ale unei stații de cone xiuni din rețeaua de distribuție de 110 kV,
alimentează o stație de transformare 110 /20 kV prevăzută pe partea de 110 kV cu
bare colectoare (simple, secționate prin două separatoare). Schema este folosită
pentru alimentarea cu energie electrică a consumato rilor aflați la distanțe mai mari
de 10 km față de sursă protecțiile prin relee ale liniilor electrice și transforma –
toarelor de putere sunt cele folosite în mod frecvent pentru aceste echipamente.
66 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În figura 2.7 este prezentată schema de alimentare de ti p „racord adânc″ bloc
linie- transformator această schemă nu este prevăzută cu bare colectoare pe partea
de 110 kV a stației de transformare, iar protecțiile prin re lee și impulsurile de
deconectare a întreruptoarelor sunt realizate fie prin circuite info rmatice între stația
de conexiuni de 110 kV a operatorului de distribuție și stația de transformare a
consumatorului, fie individual pe fiecare echipament ca în varianta clasicǎ .
Fig. 2.6 Schemă de ali – Fig. 2.7 Schemă de ali –
mentare tip „racord adânc". mentarea tip „racord adânc"
bloc linie -transformator. Stație 110 kV
LEA
110 kV 110 kV
T
110/20 kV
20 kV 110 kV Stație 110 kV
LEA
110 kV 110 kV
T
110/20 kV
20 kV
2.4.4 Scheme ale rețelelor electrice de distr ibuție
de medie tensiune
Rețelele de distribuție de medie tensiune sunt utilizate pentru alimentarea
directǎ a marilor consumatori sau a micilor consumatori amplasați într -o zonă de
consum din mediu l urban sau rural. În mediul urban rețelele de distribuț ie se
realizează de regulă, prin linii electrice în cablu, iar în mediul rural prin linii
electrice aeriene.
Sursele de energie electricǎ sunt stațiile de conexiuni de medie tensiune,
alimentate prin t ransformatoare de putere din rețeaua de 110 kV a opera torului de
distribuție .
Cele mai utilizate scheme pentru rețelele de distribuție de medie tensiune
sunt analizate în continuare.
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 67
2.4.4.1 Schema de alimentare radială cu una sau două linii electrice
și o singurǎ sursǎ
Schema de alimentare radială cu o linie electrică reprezintă alimentarea de
bază, o singură cale de alimentare, pentru un consumator sau o zonă restrânsă de
consum. Alimentarea cons umatorilor se realizează de la o singură sursă, stația de
transformare 110/20 kV , prin una sau două linii ele ctrice (fig. 2 .8). A doua cale de
alimentare poate fi solicitată de consumator pentru asigurarea continuității în
alimentarea cu energie electrică (o linie electrică poate prelua întregul consum) sau
pentru realizarea unei funcționări economice în cazul în care puterea cerută de
consumatori depășește capacitatea economică a unei singure linii electrice.
În cazul alimentării cu cabluri de medie tensiune se pot prevedea pentru
obținerea unei încărcări economice două sau mai multe cabluri electrice,
dimensiona te astfel încât linia să poată transporta puterea maximă absorbită în
cazul defectării unui cablu (fig. 2.9).
Din staț ia de 20 kV a consumatorului s unt alimentate punctele de alim entare
PA 20 kV sau posturile de transformare PT 20/0,4 kV.
Fig. 2.8 Schemă de alimentare radială cu linii aeriene de medie tensiune. Stație 110/20 kV LEA 20 kV
T
20/0,4 kV 20 kV 20 kV 0,4 kV
Fig. 2.9 Schemă de alimentare radială cu linii în cablu de medie tensiune. Stație 110/20 kV LEC 20 kV 20 kV 20 kV
PA 20 kV
PT 20/0,4 kV
PA 20 kV
Stație 20 kV
Schemele din figurile 2.8 și 2.9 sunt utilizate pentru alimentarea cu energie
electrică a marilor consumatori cu puteri maxime absorbite de până la 7,5 MVA.
2.4.4.2 Schemă de alimentare prin minimum două linii electrice
și două surse d iferite
În cazul schemei cu două linii electrice de alimentare (fig. 2 .10),
funcționarea acestora va fi radială, asigurând un grad de continuitate ridicat în
alimentarea cu ene rgie electrică a consumatorilor. Sunt posibile următoarele
regimuri de funcțio nare
ambele linii în sarcină, alimentând separat consumul de pe secțiile de bară
A și B (separatoarele de cuplă între secțiile barei colectoare deschise);
68 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
o linie electrică în sarcină și una în rezervă (separatoarele de cuplă între
secțiile barei colec toare închise).
Pentru creșterea nivelului de siguranță se pot realiza două linii electric e din
aceeași sursă (LEC 3 din fig. 2 .10), linie care constitue rezerva în alimentarea
consumului de energie electrică, pentru oricare din celelalte douǎ linii electr ice.
Schema din figura 2.10 poate fi utilizată pentru alimentarea cu energie
electrică a marilor consumatori cu puteri maxime absorbite de până la 7,5 MVA.
Fig. 2.10 Schemă de alimentare cu două sau trei linii electrice în cablu. Stație A
110/20 kV
Stație B
110/20 kV LEC 3 20 kV
LEC 1 LEC 2
20 kV
A B 20 kV
PA 20 kV;
PT 20 kV Stație 20 kV
a consumatorului
Receptoare
20 kV
2.4.4.3 Schema de alimentare în buclǎ, din surse diferite sau
din aceeași sursǎ
Schemele de alimentare în buclă, din surse diferite (fig. 2.11) sau din acceași
sursă (fig.2.12) sunt utilizate pentru alimentarea unor consumatori industriali și
similari, care solicită un grad de continuitate ridicat și care admit î ntreruperi pe
durata necesară izolării defectului și realimentării cu energie electrică prin manevre.
Stație A
110/20 kV LEC 20 kV Stație A
110/20 kV
PT 20 kV PT 20 kV PT 20 kV 20 kV 20 kV
Fig. 2.11 Schemă de alimentare în buclă din surse diferite .
De asemenea, aceste scheme sunt utilizate pentru alimentarea consu matorilor
casnici și a altor categorii de consumatori din zonele de consum urbane în special
(distribuție publică) .
În mod obișnuit, numărul post urilor de transformare conectate la linia
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 69
electrică este de cel mult șase în primul caz (fig. 2.11) și cel mult optsprezece în
cazul distribuției publice (fig. 2.12), a cesta fiind impus de funcționarea economică
a liniilor electrice și de realizarea unor condiții de exploatare (manevre) optime.
Funcționarea liniilor electrice este radială, secționarea buclei realizându -se pe
criterii tehnice și economice, în punctul în c are se realizeazǎ pierderi de putere și
cǎderi de tensiune maxime.
Stație A
110/20 kV
LEC 20 kV
PT 20 kV PT 20 kV PT 20 kV 20 kV 20 kV
Fig. 2.12 Schemă de alimentare în buclă din aceeași sursă. PT 20 kV PT 20 kV PT 20 kV
PT 20 kV
2.4.4.4 Schema de alimentare radială ramificată
Schema de alimentare radială ramificată (fi g. 2.13) se utilizează pentru
alimentarea cu energie electrică prin tr-o linie electrică aeriană a tuturor categoriilor
de consumatori din zonele rurale în special, sau din unele zone urbane.
Stație A
110/20 kV
PT 20 kV
Fig. 2.13 Schemă de alimentare radială ramificată. PT 20 kV
PT 20 kV PT 20 kV PT 20 kV
PT 20 kV
SB Stație B
110/20 kV
20 kV 20 kV
Posturile de transformare sunt alimentate prin linii electrice (derivații)
70 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
conectate, de obicei , în axu l liniei electrice, constituind ramificații ale acesteia.
Linia electrică poate avea posibilitatea de buclare, cu alte linii electrice alimentate
din aceeași sursă sau din surse diferite, situație în care se pot alimenta și
consumatori care admit întrerupe ri numai pe durata efectuării manevrelor de
realimentare.
Linia electrică figurată punctat în fig ura 2.13 și alimentată din stația
electrică B – 110/20 kV , se poate bucla cu linia electrică alimentată din
stația electrică A – 110/20 kV, prin separatorul de buclă SB, liniile electrice rezer –
vându-se reciproc.
2.4.4.5 Schemă de distribuție cu puncte de alimentare
Schema de distribuție cu puncte de alimentare (fig. 2.14) este specifică
rețelelor electrice de distribuție cu tensiunile nominale de 10 kV care
alimentează consumatori din zonele urbane; acest tip de schemă nu se mai
dezvoltă, fiind mai avantajoasă distribuția energiei electrice la tensiunea
nominală de 20 kV și conectarea directă în liniile electrice a posturilor de
transfo rmare.
Fig. 2.14 Schema electrică de distribuție cu două PA și două surse diferite Stația A
10 kV
LEC 10 kV
PA 1 – 10 kV PA 2 – 10 kV LEC 10 kV Stația B
10 kV
PT 10 kV
PT 10 kV LEC 10 kV
LEC 10 kV PT 10 kV PT 10 kV
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 71
Conectarea punctelor de alimentare la stațiile de conexiuni ale stațiilor de
transformare se realizează prin fideri (linii electrice în cablu), iar conectarea
posturilor de transformare se face în sistem intrare -ieșire pe distribuitoarele care
constitue linii electrice de legătură între punctele de aliment are (PA).
Funcționarea schemei este radială, secționarea efectuându -se într -un PT de
pe fiecare distribuitor, în baza calculelor tehnice obișnuite.
Posturile de transf ormare c are alimentează rețelele 0,4 kV pot fi conectate la
aceeași liniile electrice în cablu, de medie tensiune .
La dimensionarea liniilor de joasă tensiune într -o astfel de schemǎ se vor
avea în vedere următoarele aspecte tehnice [2.10] :
să se asigure funcționarea economică ( jec) în regim normal de funcționare
(separație pe parcursul buclei între tablourile de distribuție);
să se asigure ca curentul electric maxim de sarcină Imax,sarc să fie inferior
curentului electric admisibil Iadm , pentru regimu l de avarie (separație la capătul
buclei);
puterile nomin ale ale transformatoarele din PT se vor alege astfel încât să
poată prelua sarcina integrală a liniilor de joasă tensiune , în cazul avarierii
transformatorului de putere dintr -un post de transforma re învecinat.
În anexele A2.1 A2.8 sunt indicate caracteristicile tehnice și încărcările
admisibile pentru conductoarele și cablurile, utilizate în mod obișnuit la construcția
liniilor electrice din România.
2.4.5 Studii de caz
2.4.5.1 Stabilirea var iantelor de alimentare cu energie electrică
a unui consumator industrial
Se consideră un consumator industrial cu următoarele cara cteristici de
consum:
puterea activă maxim ă absorbită (puterea de calcul) 7,2 MW;
durata de utilizare a pu terii maxime 5600 ore/an;
factorul de putere mediu = 0,9;
tensiunile nominale de distribuție și utilizare în sistemul intern: 10 kV;
0, 4 k V (consumatorul are motoare mari cu tensiunea nominală de 10 kV);
numărul căilor de alimentare solicitate: d ouă.
În prima variantă se consideră existența în zona de amplasament a
consumatorului a:
două stații electrice 110 kV, A și B aflate la distanța de 8 km și respectiv
25 km de consumator;
două LEA 110 kV echipate cu conductoare din Al/ Ol 185/32 mm2, dub lu
circuit, situate la distanța de 3 km de consumator; puterea medie vehiculată pe
fiecare LEA 110 kV este de circa 30 MVA.
Pentru conectarea consumatorului sunt analizate următoarele soluții:
Alimentarea se realizează printr -o stație de transformare 110 /10 kV
conectată la una dintre LEA 110 kV în sistem intrare -ieșire ( fig. 2 .15). LEA
110 kV de legătură este în construcție dublu circuit, iar echiparea stației electrice
de alimentare se face cu două transformatoare de putere 110/10 kV;
72 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Fig. 2.15 Schemă de alimentare sistem „intrare -ieșire" din rețeaua
de 110 kV a operatorului de distribuție. Stația A
110 kV LEA 110 kV dublu circuit
110 kV
T
110/10 kV Stația B
110 kV
10 kV
Conectarea stației de transformare la rețeaua electrică de 110 kV se
realizează în sistem „derivație" printr -o linie electrică aeriană dublu circuit de
110 kV (fig. 2.16). Celulele de 110 kV di n stația de transformare 110/10 kV nu se
echipează cu întreruptoare și cu protecțiile prin relee specifice LEA 110 kV .
Fig. 2.16 Schemă de alimentare sistem „derivație" din rețeaua de
110 kV a operatorului de distribuție. Stația A
110 kV LEA 110 kV dublu circuit
110 kV
T
110/10 kV Stația B
110 kV
10 kV
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 73
Alimentarea cu energie electrică a consumatorului se realizează printr -o
schemă „bloc l inie – transformator" (fig. 2.17 ). Conectarea LEA 110 kV , dublu
circuit , se face din stația de transformare A – 110 kV aflată la distanța de 8 km de
amplasamentul consumatorului.
Fig. 2.17 Schemă de alimentare sistem „bloc linie -transformator"
din rețeaua de 110 kV a operatorului de distribuție. Stația A
110 kV LEA 110 kV dublu circuit
10 kV T
110/10 kV Stația B
110 kV
LEA 110 kV
Circuitele secundare care privesc protecțiile prin relee, comandă și
semnalizări ale t ransfor matoarelor 1 10/10 kV sunt controlate din stația operatorului
de distribuție prin circuite informatice , atunci când se renunță la montarea de
întreruptoare pe partea de 110 kV a trans forma toarelor.
Alegerea variantei optime de alimentare cu energie electrică a consu –
matorului se face pe baza unui calcul tehnico -economic ținând seama de valorile
investițiilor de echivalare, costurilor de exploatare și a celor datorate pierderilor de
energie, daunelor produse în cazul întreruperii alimentării.
2.4.5.2 S tabil irea caract eristicile energetice și economice
ale liniilor electrice
Se consideră o linie electrică (aeriană sau în cablu), cu funcționare radială și
sarcina concentrată la sfârșitul liniei .
Densitatea economică ( jec) luată în calcul corespunde unui timp de utiliza re a
puterii maxime TM = 3500 6500 ore/an, iar factorul de putere mediu considerat
este = 0,92.
Sunt utilizate următoarele relații de calcul:
Determinarea puterii aparente economică Sec , respectiv puterea apa rentă
maximă vehiculată SM
74 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
; 3, 3
r M Mr ec ec
UI SUjs S
(2.6)
Determinarea lungimii maxime l a liniei electrice care permite vehicularea
puterilor Sec sau SM:
QXPRU ulr
0 02
100
. (2.7)
În relațiile (2.6) și (2.7) au fost utilizate următoarele notații:
s aria secțiunii transversale a conductoarelor liniei;
IM intensitatea maximă admisă a curentului electric, la limita termică;
R0 , X0 rezistența electrică specifică, respectiv reactanța specifică (pe
unitatea de lungime) a liniei electrice;
P, Q puterea activă, respectiv putere a reactivă transmise, la încărcarea
economică sau maximă;
Δuadm căderea de tensiune maxim admisibilă pe linie (în procente );
Ur tensiunea normată a liniei.
Calculele efectuate conform relațiilor (2.6) și (2.7) sunt prezentate în tabelul
2.3.
Tabelu l 2.3
Caracteristici energetice și economice ale conductoarelor pe linii electrice
Tipul și tensiunea
nominală a liniei
electrice Aria
secțiunii
transversale
s, mm2 Densitatea
economicǎ
de curent
electric
jec , A/mm2 Puterea aparentă Lungimea
maximă a lini ei,
km
economicǎ maximǎ la Sec la SM Sec , MVA SM , MVA
LEA 0,4 kV ,
conductoare
multifilare Al 50
70
0,55 0,019
0,027 0,149
0,183 1,25
1,12 0,161
0,163
LEA 0,4 kV ,
conductoare
TYIR – Al 50
70
0,55 0,019
0,027 0,098
0,125 1,48
1,36 0,288
0,294
LEC 0,4 kV izo –
lație PVC (PE) ,
conductoare Al ,
pozare în pământ 50
70
120
150
240
0,55 0,019
0,027
0,046
0,057
0,091 0,098
0,121
0,167
0,187
0,251 1,42
1,37
1,33
1,30
1,22 0,276
0,305
0,363
0,397
0,441
LEC 20 kV
izolație PVC (PE)
conductoare Al,
cablu monofilar,
pozare în triunghi
în pământ 50
70
120
150
1,1 1,90
2,66
4,56
5,71 5,57
6,81
9,24
10,31 17,27
16,47
15,82
15,07 5,90
6,43
7,80
8,34
LEA 20 kV
simplu circuit,
conductoare
multifil are Al/ Ol 35/5
50/8
70/12
120/21 0,7 0,84
1,21
1,70
2,90 5,53
7,09
9,00
12,45 26,10
23,80
21,39
18,87 3,96
4,06
4,03
4,40
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 75
ANEXA 2.1
Caracteristicile tehnice ale conductoarelor multifilare din aluminiu – oțel
Aria secțiunii transversale
a conductorului , mm2 Firele componente Diametrul
conducto –
rului, mm
Rezistenț a
electrică la
20C,
/km Curentul
electric
maxim
admis , A nomi-
nalǎ realǎ numǎr diametr u,
mm
Construcție normală
16/2,5 15,3/2,55 1+6 1,80/1,81 5,4 1,880 100
25/4 23,9/4 1+6 2,25/2,25 6,8 1,202 125
35/6 34,3/57 1+6 2,70/2,7 8,1 0,830 160
50/8 48,3/8 1+6 2,30/3,2 9,6 0,594 205
70/12 66,2/11,6 7+26 1,45/1,8 11,6 0,437 260
95/15 90/15 7+26 1,65/2,1 13,4 0,321 325
120/21 122,5/20,9 7+26 1,95/2,45 15,7 0,236 360
150/25 148,9/25,4 7+26 2,15/2,7 17,3 0,193 420
185/32 183,8/31,7 7+26 2,40/3,0 19,2 0,157 485
240/40 236/40,1 7+26 2,70/3,4 21,7 0,122 575
300/50 294,9/49,5 7+26 3,00/3,8 24,2 0,098 665
400/75 395,2/75,5 19+28 2,25/4,24 28,2 0,074 820
450/75 445,1/75,5 19+63 2,25/3,0 29,25 0,066 900
680/85 678,6/85,9 19+54 2,4/4,0 36 0,043 1150
Cons trucție întărită
95/22 96,5/21,5 7+30 3,20/3,20 14,00 0,312 315
120/28 119,4/27,8 7+30 2,25/2,25 15,75 0,242 360
150/36 153,3/35,7 7+30 2,55/2,55 17,85 0,192 420
185/43 184,8/43,1 7+30 2,8/2,8 19,6 0,159 485
240/56 241,2/56,2 7+30 3,2/3,2 22,4 0,122 575
300/69 305,4/69 19+30 2,15/3,6 25,15 0,096 665
400/85 395,6/85,9 19+30 2,4/4,1 28,4 0,079 820
450/97 449/96,9 19+30 2,55/2,9 30,19 0,065 900
ANEXA 2.2
Caracteristicile tehnice ale conductoarelor multifilare din aluminiu
Aria secțiunii transversale
a conductorului , mm2 Firele componente Diametrul
conducto –
rului , mm Rezistența
electrică la
20C, /km Curentul
electric
maxim
admis , A nomi –
nalǎ realǎ numǎr diametr u,
mm
16 15,80 7 1,70 5,1 1,802 105
25 24,25 7 2,10 6,3 1,181 135
35 34,36 7 2,50 7,5 0,839 170
50 49,48 7 2,00 9,0 0,579 215
50 48,36 19 1,80 9,0 0,595 215
70 65,82 19 2,10 10,5 0,437 265
95 93,27 19 2,50 12,5 0,303 320
120 117,0 19 2,80 14,0 0,246 375
150 147,1 37 2,25 15,7 0,196 440
185 181,6 37 2,50 17,5 0,159 500
240 242,1 37 2,80 20,2 0,119 590
300 299,4 61 2,50 22,5 0,097 780
400 400,1 61 2,89 26,0 0,071 855
76 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
ANEXA 2.3
Caracteristicile tehnice ale conductoarelor torsadate din aluminiu
și conductor neutru din aluminiu -oțel tip TYIR*)
Aria secțiunii transversale a
conductorului ,
valoare nominală, mm2 Rezistența electrică a
conductorului , /km Reactanța
conductorulu i,
/km Intensitatea
curentului
electric, A
316 mm2 Al
+50 mm2 Al/OL 1,802
0,61 0,098
0,098 75
325 mm2 Al
+50 mm2 Al/OL 1,18
0,61 0,097
0,097 97
335 mm2Al
+50 mm2 Al/OL 0,833
0,61 0,089
0,089 119
350 mm2Al
+50 mm2 Al/OL 0,579
0,61 0,086
0,086 141
370 mm2Al
+50 mm2 Al/OL 0,437
0,61 0,084
0,084 180
*) Temperatura mediului ambiant: +25 C,
Temperatura maximǎ admisǎ pe conductor: +70 C
ANEXA 2. 4
Caracteristicile tehnice ale cablurilor cu izolație PVC cu patru conductoare din aluminiu,
cu tensiunea de 0,6/1 kV
Aria secțiunii
transversale a
conductoarelor active
și a conducorului
neutru, mm2 R0 (20 C),
/km X0 ,
/km B0 ,
μS/km IC *),
A/km
350+125 0,606/1,21 0,087 257 0,178
370+135 0,435/0,866 0,083 286 0,198
395+150 0,319/0,606 0,082 327 0,226
3120+150 0,253/0,606 0,080 364 0,252
3150+170 0,202/0,433 0,076 371 0,257
3185+195 0,164/0,319 0,075 380 0,263
3240+1120 0,126/0,253 0,083 402 0,278
3300+1150 0,101/0,202 0,071 405 0,28
*) Curentul electric de încărcare cap acitivă (intensitatea curentului electric absorbit, la
funcționarea în gol.
ANEXA 2. 5
Caracteristicile tehnice ale cablurilor ecranate ACYSEABY cu trei conductoare
din aluminiu, cu tensiunea de 3,5/6 kV și 5,8/10 kV *)
Aria R0 (20C), X0 , /km B0 , μS/km IC , A/km
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 77
secțiunii
transver –
sale a
conductoa –
relor , mm2 /km
3,5/6 kV 5,8/10 kV 3,5/6 kV 5,8/10 kV 3,5/6 kV 5,8/10 kV
50 0,606 0,100 0,106 137 161 1,420 2,785
70 0,435 0,096 0,102 144 185 1,492 3,200
95 0,319 0,092 0,098 156 208 1,619 3,598
120 0,253 0,090 0,094 179 229 1,858 3,960
150 0,202 0,088 0,092 187 250 1,941 4,322
185 0,164 0,086 0,091 209 272 2,169 4,705
240 0,126 0,084 0,088 222 307 2,304 5,311
300 0,101 0,083 0,086 251 – 2,605 –
*) Acest tip de cablu nu se mai folosește în instalațiile operatorilor de distribuție. Poate fi
întâlnit în instalațiile utilizatorilor care au motoare electrice cu tensiunea nominală de
6 kV sau 10 kV
ANEXA 2. 6
Caract eristicile tehnice ale cablurilor tip A2YSY cu conductoare
unifilare din aluminiu, cu tensiunea de 12/20 kV
Aria
secțiunii
transver –
sale a
conductoa –
relor , mm2 R0 (20C),
/km X0 , /km
B0 ,
μS/km IC ,
A/km Poziția
triunghi Poziția
alăturat
50 0,641 0,133 0,222 47,7 1,650
70 0,443 0,125 0,212 54,0 1,868
95 0,320 0,118 0,203 60,3 2,086
120 0,253 0,114 0,196 65,3 2,260
150 0,206 0,110 0,191 70,6 2,442
78 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
ANEXA 2.7
Sarcina (încǎrcarea) maximǎ admisǎ pentru cablurile cu izolație din hârtie impregna tă cu ulei ( HIU)
și conductoare din aluminiu, în A*)
Aria
secțiunii
transver –
sale, mm2 Tensiunea U0r/Ur , în kV
0,6/1 3,6/6 6/10 12/20
Pozare în pământ, la 20 C
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500 –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– 103
124
148
182
218
249
281
320
372
420
481
– 103
124
147
182
218
250
281
320
372
420
481
– 91
110
132
165
200
229
258
295
343
389
449
– 95
114
136
171
205
233
262
298
346
391
448
– –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Pozare în aer, la 30 C
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500 –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– 89
108
131
165
201
233
267
310
366
420
488
– 89
109
131
165
201
234
268
308
365
415
485
– 76
98
112
140
172
192
225
260
305
349
407
– 85
105
125
160
190
220
250
285
330
380
440
500 –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
Tempe –
ratura de
funcționare
admisă , C 80 80 80 65 65 – –
*) Acest tip de cablu mai poate fi întâlnit în unele instalații existente. Nu se mai utilizează în
instalații noi.
Instalații electrice de alimentare din rețeaua electrică publică 79
ANEXA 2.7
Sarcina (încărcarea ) maximǎ admisă pentru cablurile cu izolație PVC sau PE
și conductoare din aluminiu, în A
Aria
secțiunii
transver –
sale, mm2 Tensiunea U0r/Ur , în kV
0,6/1 3,6/6 6/10 12/20
pozare în pământ, la 20 C
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500 –
192
229
282
339
388
435
494
578
654
765
873 100
118
142
175
211
242
270
308
363
412
475
– –
122
145
178
214
243
274
310
361
408
468
– –
123
146
179
213
243
272
307
356
402
446
– –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– –
–
181
221
263
297
327
369
423
473
521
579 –
–
161
197
235
267
298
337
391
440
499
562
pozare în aer, la 30 C
25
35
50
70
95
120
150
185
240
300
400
500 128
145
176
224
271
314
361
412
484
548
666
776 83
102
124
158
190
220
252
289
339
377
414
– –
101
122
153
187
215
246
283
335
386
450
– –
106
128
158
192
221
250
286
336
385
456
– –
–
–
–
–
–
–
–
–
–
–
– –
179
223
271
312
315
400
471
535
604
683
– –
152
188
230
265
299
342
406
463
536
612
–
Temp. de
funcționare
admisă ,C 70 70 70 70 – 70 70
80 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Bibliografie
[2.1] *** Voltage characteristics of electri city supplied by public distribution systems ,
SR EN 50160/2007.
[2.2] *** Legea energiei electrice , 13/2007.
[2.3] *** Codul tehnic al Rețele lor Electrice de Distribuție , Aprobat prin Decizia ANRE nr. 101 din
06.06.2000
[2.4] Leca A., Mușates cu V., Managementul energiei , Editura AGIR, București, 2006.
[2.5] *** Regulam ent pentru racordarea utilizatorilor la rețelele electrice de interes public ,
nr.867/17 iulie 2003 .
[2.6] *** Tensiuni standardizate de CEI , SR CEI 60038+A1+A2/1997
[2.7] *** Ana liza economică a proiectelor din domen iul energetic PE 011/
[2.8] Eremia M., Electric Power Systems . Electric Networks , Editura Academiei Române, București,
2006.
[2.9] Carte Comănescu , PECS
[2.10] *** Standard de performanță pentru serviciul de distri buție a energiei electrice ,
cod ANRE 28.1.013.0.00.30.08.2007
3
SPAȚIILE TEHNOLOGICE ȘI ADMINISTRATIVE
DIN INCINTA ÎNTREPRINDERII . PERSONALUL
ȘI ACTIVITĂȚILE D ESFĂȘURATE PENTRU
ÎNTREPRINDERE
3.1 Aspecte generale
Realizarea unui audit electroenergetic într -o întreprindere reprezintă o
acțiune de primă import anță econo mică, administrativă și socială în viața și
activitatea care se desfășoară în fiecare zi și ch iar în fiecare moment, la orice
utilizator de energie electrică.
Prioritatea pe care o are în realitate auditul electroenergetic și căreia trebuie
să i se acorde atenția maximă de către orice manager și de către orice patron, în
comparație cu alte tipuri de audituri, privind alte sectoare de activititate, constă în
faptul că energia electrică are o deosebită importanță în viața umană . Astfel, toate
activi tățile se desfăș oară întens atunci când energia electrică asigură alimentarea , în
orice moment, la orice aparat care este cuplat la rețeaua electrică, de la cel mai mic
și neînsemnat, până la cel mai mare și important receptor, indiferent unde se
găsește a cesta. De asemenea , o mare parte dintre activități încetează și apare chiar
îngrijorarea, la dispariția energiei electrice.
Rezultă deci că toți factori i economici sau de altă natură, care concură la
desfășurarea diferitelor activități în sectoarele unei întreprinderi sau la nivelul
întregii unități își pot desfăsura în mod eficient activitatea , numai în prezen ța
energiei electrice. Este necesar astfel să se acorde priorit ate problemelor energiei
electrice în fiecare între prindere și la fiecare receptor, în raport cu alți factori.
Conducerea întreprinderii și patronul acesteia trebuie să dea o atenția deosebită
alimentării cu energie electrică pentru a asigurea competitivitate a și profit ul
maxim.
Funcționa re eficientă a oricărui recep tor, respectiv, a ori cărei întreprinderi,
este determinată, în primul rând , de alimentarea, fără întrerupere, cu energie
electrică. Acest deziderat important, care este , în general, și în țara noastră realizat
și se depun eforturi pentru evitarea și limitarea întreruperilor. Î ntreruperile în
alimentarea cu energie electrică poate conduce la daune importante îndeosebi
82 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
pentru întreprinderile și, deci, pentru patronii, care intră pe piață cu produsele
realiz ate, unde acționează concurența. Daunele care apar pot conduce, într -un timp
chiar foarte scurt, la scoaterea de pe piață, atât de pe cea internă, cât mai ales de pe
cea europeană, și în general cele externe [3.1] .
De asemenea , risipa exagerată , în unele sectoare de producție, determină
ineficiență, iar la nivelul țării conduc e la producerea unei unități din PIB (produsul
intern brut) cu un consum energetic de 2 3 mai mare decât media din Uniunea
Europeană. De cele mai multe ori, acest lucru este determinat de lipsa controlului
(a monitorizării) consumului de energie electr ică (atât înainte de 1990, dar și în
toți anii tranziției ) de către fiecare consumator, respectiv întreprindere .
Se mai precizează că, în principiu, modul în care se consumă (se
gospodărește) energia electrică, reprezintă un barometru, care indică mersul
(eficiența) de la cea mai simplă activitate într -un contur restrâns, până la cel mai
complex, inclusiv la nivel național. Situația este necorespunzătoare, dacă acul
barometrului indică domeniul risipei , sau corespunzătoare, bună sau foarte bună,
dacă dome niul indicat este utilizarea eficientă energiei electrice . Ace astă expresie ,
utilizare eficientă , trebuie să indice o preocupare permanentă, de la consumatorul
casnic și , în deosebi , în întreprinderile de orice mărime, care vor și reușesc să fie pe
piață, respectiv, așa cum ne interesează pe piața Uniunii Europene [3.2].
Diferența încă mare între modul de utilizare a energiei electrice în țara
noastră și la nivelul UE este datorată și lipsei auditului electro energetic. Absența
acestuia a favorizat menține rea risipei de energie electrică, în timp ce folosirea
sistematică a auditului electroenergetic în UE , timp de decenii , a condus și conduce
la economisirea energiei electrice, cu consecințele cor espunzătoare .
Rezultă astfel necesitatea obiectivă ca toate î ntreprinderile care vor rămâne a
pe piață, precum și cele care vor apărea, conform legilor economiei de piață, fără
nicio excepție, să folosească periodic auditul electroenergetic, deoarece numai
concluziile acestuia, prin măsu rile propuse și aplicate cât m ai repede, fac ca acul
barometrului fiecărei întreprinderi să indice economisire și să întărească imunitatea
la amenințările concurenței pe oricare piață.
3.2 Identificarea componentelor imobiliare existente
în incinta întreprinderii și rolul lor
Întocmirea primu lui audit electroenergetic, în tr-o întreprindere va pune în
evidență interesul real pentru economisirea energiei electrice și va contribui la
modifi carea atitudinii față de consumul de energie electrică.
Pregătirile pentru elaborarea pri mului audit electroenergetic, care constau în
acumularea unui volum foarte mare de informații inițiale și care vor fi folosite cu
eventualele actualizări și pentru următoarele audituri, privesc toate activitățile, care
necesită consum de energie electrică, din incinta întreprinderii , respectiv
inventarierea tuturor spațiilor interioare sau în aer liber, în care se consumă energie
electrică . Primele informații se referă la spațiile și punctele în care se desfășoară
activitățile respective, indiferent de mări mea și amplasarea acestora, atât cele în
Spații tehnologice și administrative din incinta întreprinderii 83
care se desfășoară direct procesele tehnologice , precum și acelea în care se
desfăș oară activități auxiliare [3.3] .
Punerea la dispoziția auditorului (executantului) a tuturor informațiilor
necesare întocmirii unei lucrări de audit electroenergetic complet , care să conducă
la optimi zarea consumului de energie electrică, constituie o prevedere și respectiv o
obligație contractuală pentru conducerea întrepri nderii (beneficiarul lucrării).
Trebuie menționat că toate in formațiile privind spațiile sau punctele în care
se consumă energie electrică, reprezintă pentru auditor prima etapă de orientare,
asupra modului de organizare, și de repartizare în spațiile construite ale utilajelor și
echipa mentelor, precum și ale pers onalului care contribuie sub aspect tehnic și
administrativ la desfășurarea t uturor activităților, având în centrul preocupărilor
procesul tehnologic și eficientizarea desfășurării acestuia. Realizarea corectă și
completă a acestei acțiuni permite auditoru lui să treacă la etapele următoare ale
auditului, care privesc intrarea în fiecare din aceste spații pentru a constata dotarea
tehnică și umană, precum și rolul și activitatea acestora, urmărindu -se eficiența
funcționării, în ansamblul preocupărilor din întreprindere. Diversitatea foarte mare
a tipurilor și mărimii diferitelor întreprinderi, se reflectă și sub aspectul modului de
grupare și organizare spațială, în clădi ri de diferite forme și mărimi.
Se precizează însă că, în fiecare caz în parte auditorul trebuie să țină seama
de situația existentă, de specificul întreprinderii audiate și de eventualele intenții de
dezvoltare ale beneficiarului. Ținând seama de aceste aspecte și de faptul că nu
trebuie să se omită nici un spațiu sau punct cu consum de ene rgie electrică din
întreprindere, auditorul trebuie să organizeze și să prezinte rezolvarea problematicii
acestei etape de identificare și de cunoaștere a rolului tuturor spațiilor, sub forma
unui material , într-o formă cât mai clară și simplă care, prin structura sa , să permită
utilizarea lui la etapele (capitolele) următoare ale lucrării elaborate,. În acest sens,
fiecare auditor, găsindu -se, în fiecare caz în parte, în fața unor situații concrete,
poate adopta diferite moduri (forme) de examinare, de org anizare și de prezentare a
acestei prime etape a auditului.
Pentru a veni în ajutorul auditorului, î n scopul adoptării unui mod de
rezolvare unitar și corelat, în cazul unei întreprinderi oarecare în fig ura 2.1, se
reprezintă un exemplu.
Astfel, se consid eră întreprinderea (I) , având o anumită struc tură și
repartizare în incintă a spațiilor necesare, pentru care trebuie să se obțină , în primul
rând, o serie de informații privind printre altele următoarele aspecte:
denumirea înt reprinderii și specificul a ctivității;
adresa amplasamentului: localitatea, strada etc, motivarea alegerii amplasa –
mentului (comercial etc.) ;
dimensiunile conturului : l1, l2, l3, l4 ;
orientarea geografică: indicarea punctelor cardinale (N ) ;
amplasarea tuturor clădirilor și a altor construcții, în care se consumă
energie electrică, pe planul întreprinderii;
corpurile separate de clădire se pot nota cu litere mari:A, B, etc.
reprezentarea tuturor spațiilor interioare, pe nivelele și destinații.
84 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În incinta întreprinderi i considerate există cinci corpuri de clădire (fig. 2.1)
care sunt indicate pe planul acesteia , pentru identificare , prin literele : A, B, C, D și
E. Fiecare are o anumită structură interioară, respe ctiv număr de niveluri , număr de
camere pe fiecare nivel , cu destinații și număr de persoane specificate. Se admite
un mod codificat pentru identificare. De asemenea , o prezentare completă și
corelată, prezintă pentru întreprinderea din figura 2.1, următoarele detalii:
N l3
l2 l4
l1 C
D
B0 B
A04
A01 A02
A03 A
E
(I)
Fig. 3 .1 Amplasarea clădirilor și a unor secții interioare în incinta întreprinderii.
Corpul A – are un singur nivel (0), unde s e desfășoară procesul tehnologic
principal. Se pot di stinge trei zone, A01; A02; A03 corespunzătoare unor faze
delimitate ale procesului tehnologic general, eventual fără separare prin pereți. Se
pot specifica destinațiile fiecă rui compartiment. Spațiul A04 poate fi un post de
transfor mare sau tabloul electric general de distribuție.
Corpul B are, de asemenea , un nivel. Poate fi o stație de compresoare.
Corpul C este pavilion administrativ și are trei niveluri , respectiv parter (0)
și etajele 1 și 2. La fiecare nivel are un anumit număr de camere, care se pot nota:
pentru parter : C01, C02, C03, …
pentru etajul 1: C11, C12, C13, …
pentru etajul 2: C21, C22, C23, …
Fiecare cameră se va menționa separat, cu indicarea destinației și a
număr ului de persoane care lucrează.
Este indicat ca pentru fiecare nivel, atât pentru clădirea C, precum și pentru
celelalte clădiri din incinta întreprinderii să se prezinte câte un pla n al fiecărui
nivel, cu toate c amerele și cu destinațiile lor.
Spații tehnologice și administrative din incinta întreprinderii 85
Ca exemplu, se consideră etajul 1 al clădirii prezentate C (fig. 3 .2.) care este
destinat conducerii întreprinderii și are următoarele camere:
C11 – casa scării ;
C12 – hol;
C13 – secretar iat; 2 persoane ;
C14 – director; 1 persoană ;
C15 – sală de ședințe ;
C16 – contabilitate; 4 persoane ;
C17 – conducerea tehnică; 2 persoane ;
C18 – grup sanitar .
C16 C13 C14
C12
C17 C11 C18 C15
Fig. 3 .2 Plan cu spațiile de la etajul 1 al clădirii C.
Acest tip de prezentare este necesar pentru fiecare cam eră (spațiu) , deoarece,
în continuare , în funcție de specificul lor, se vor folosi simbolurile pentru
poziționarea consumurilor electrice și a receptoarelor respective. Ca exemplu, se
indică, pentru came ra C16, dotarea respectivă, din punctul de vedere a l recepto –
arelor electrice: C16 – contabilitate; patru calculat oare, 3 lămpi fluorescente a 40 W
fiecare etc.
În același mod se vor prezenta situațiile și pentru clădirile (spațiile) D și E
din incinta întreprinderii ( I) consider ată, căutându -se să nu se o mită nici un
receptor sau grupuri de recepto are de energie electrică. Se menționează că, date
fiind diversitatea și paricularitățile numeroase care sunt întâlnite de auditori în
diferitele întreprinderi , aceștia au posibilitatea să -și folosească ingeniozit atea și
imagin ația pentru o prezent are și organizare cât mai simplă , mai clar ă și ușor de
urmărit pe parcursul conținutului întregii lucrări.
3.3 Personalul care participă la activitățile
din întreprindere
86 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
După cun oașterea informațiilor privind structura și destinațiile tuturor
spațiilor din incinta unei întreprinderi, care cuprind toate activitățile necesare
desfășurării proce sului de producț ie principal, este deosebit de important să se
cunoască cantitativ (numeric) și calitativ (profesional) pe rsonalul participant la
viața din întrepri ndere.
Este de remarcat faptul că modul de organizare capitalistă, prin cerințele
econo miei de piață își pune amprent a aupra structurii, nivelului de pregătire și
calității personalului, care participă la rezolvar ea tuturor problemelor de conducere
administra tivă și tehnico -economică ce apar , în fiecare moment , în procesele de
producție mai simple sau mai complexe din toate întrepr inderile mai mari sau mai
mici.
Pregătir ea profesi onală pentru creșterea permanentă a competitivității, a
depășirii tuturor aspectelor concurenței și a menținerii p e piață, trebuie să constituie
preocupări, de fiecare moment, pentru fiecare patron, manager și chiar pentru
fiecare persoană, care poartă o răspundere în unitatea economică re spectivă, în
măsura în care este și cointeresat. Toate acestea ar trebui, să conducă la alegerea și
promovarea unui personal cu un nivel profe sional și uman cât mai ridicat.
Caracteristica generală, remarcată anterior, privind existența permanentă și
în co ntinuă creștere a numărului întreprinderilor mici și mijlocii, ca rezultat al
dinamicii de apariție a noilor IMM -uri și de ieșire de pe piață prin falimentare, a
celor necompe titive, determină stabilirea unor structuri de personal propriu , cât mai
restrâ ns numeric și de foarte bună calitate, pentru ca profiturile întreprinderii să fie
cât mai mari.
Pentru rezolvarea acestor adevărate provocări, față de numărul, de
complexitatea și de nout atea multor probleme economico -financiare, cu care se
confruntă mar ea majoritate a sutelor de mii d e IMM -uri, la noi în țară și al
milioanelor, în Uniunea Europeană , care depășesc, în mod obiectiv, posibilitățile
personalului propriu redus, le obligă pe acestea să apeleze la serviciile de
consultanță ale unor firme din ex terior. Prin aceasta, performanțele oricărei
întreprinderi depind atât de calitatea și competența profesională a salariaților
proprii, dar și de ale serviciilor, pentru diverse specialități ale specia liștilor
consultanți din afara unității respective.
Rezultatul final al colaborării celor două categorii de personal, cel propriu și
cel exterior, îl constituie creș terea eficienței economice și a competitivității fiecărei
întreprinderi, acesta constituind de fapt unul dintre scopurile întocmirii auditur ilor
electroenergetice. Trebuie însă precizat că, întrucât fiecare din auditurile întocmite
pentru alte specialități, în cele mai multe cazuri, dacă nu chiar în toate, nu iau în
considerare și consecințele asupra consumului de energie electrică, este foar te
probabil ca efectele reale ale acestora, parțiale sau însumate, să nu corespundă
optimului necesar și posibil de îmbunătățire a performanțelor întreprinderii, atât pe
diferitele compartimente (secții), cât și în ansamblul său. Acest rol și
responsabilit ate deosebite revin auditului electroenergetic, datorită faptului că
energia electrică asigură funcțio narea, în toate detaliile și în ansamblu , a tot ce
există în întreprindere. Rezul tă deci obliga tivitatea pentru auditorul
electroenergetic să se infor meze și să evalueze în același timp și rezultatele
Spații tehnologice și administrative din incinta întreprinderii 87
celorlalte tipuri de consultanțe, pentru a confirma măsura în care cores pund, în
ansamblu, scopului pentru care s -au realizat [3.4] .
Pentru aceasta auditoru l electroenergetic trebuie să solicite informaț ii privind
toate activitățile de consultanță pentru alte specialități, precum și pentru cele
privind lucrările de reparații și întreținere efectuate de personal aparținând altor
firme. Informațiile se vor referi la periodicitatea desfășurării activitățilo r res –
pective, la calitatea, respectiv, competența profesională a persoanelor care participă
și în mod deosebit la rezultatele obținute în privința îmbunătățirii performanțelor și
eficienței activității întreprinder ii auditate. Reținând deci, toate aceste remarci,
lucrarea de audit electroenergetic, care va trebui să constituie un corolar al tuturor
activităților personalului propriu și al consultanțelor din exterior, este necesar să
conțină, nu numai cele două liste, respectiv pe cea a personalului propriu , și pe cea
a firmelor de consultanță din exterior, dar și o apreciere și evaluare a activității
acestora.
Lista personalului propriu va conține conducerea administrativă, tehnică,
finan ciară, personalul direct productiv și alt personal auxiliar și se va referi la
gradul de pregătire, specialitatea, vârsta, competența profesională ș.a. Lista
personalului din exterior va conține firmele care au desfășurat și desfășoară
activitățile de consultanță, cu aprecier ea competențelor profesionale, a măsurilor
propu se și ale rezultate lor obținute prin aplicarea lor.
Toate aceste aspecte, privind calitatea întregului personal , care contribuie la
activitățile desfășurate în fiecare întreprindere, constituie de fapt componenta
umană care este hotărâtoare, cu consecințe directe asupra eficienței și optimizării
consumului de energie electrică și reprezintă indicatorul sintetic principal al locului
pe care îl ocupă fiecare întreprindere, prin competitivitatea și performanțele
realizate, în topul concu renței și al prezenței pe piață [3.5] .
Acest aspect nou, impus de piață în economia capitalistă, practicat în faze și
forme uneori incipiente și în sutele de mii de întreprinderi din țara noastră, care
trebuie să aibă efectele favorabile , necesare în concurență pe piață (extern ă), este
necesar să atragă atenția auditorului electroenergetic, în mod deosebit, să fie
evaluat și să fie informat beneficiarul lucrării , asupra importanței deosebite pentru
creșterea competitivității întreprinderii, care reprezintă, de fapt, obiec tivul și
interesul acestuia.
3.4 Concluzii
Conform prognozei Comisiei Europene pentru Energie și transport, până în anul
2030 consumul de energie electrică î n Europa va crește cu circa 60%. Preocuparea
pentru creșterea eficienței în utilizarea energiei va asi gura atât creșterea cantității
de bunuri și servicii la dispoziția dar și o dezvoltare durabilă a societății. Pentru
Europa va însemna și creșterea securității energetice prin limitarea dependenței de
resursele din afară.
În România, în prezent există ma ri posibilități de reducere a consumurilor
energetice, ceea ce este observabil și în valorile ridicate ale intensității energiei
electrice. De cele mai multe ori, informarea și conștientizarea specialiștilor are un
88 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
rol important în determinarea factorilor de decizie pentru efectuarea investițiilor
necesare creșterii eficienței energetice.
Preocuparea pentru mediul ambiant și pentru utilizarea cu grijă a resurselor
pentru a beneficia și generațiile viitoare, reprezintă elementul definitoriu în analiza
probl emelor legate de eficiența energetică.
Bibliografie
[3.1] Kouznetcov E. P., The Analysis and Evaluation of the Consequences of Poor Quality Power
Supply for Consumers , CIRED 2007, Rap.0319
[3.2] *** Doing More with Less , Green Paper on energy ef ficiency; European Commission,
Directorate -General for Energy and Transport, 2005,
http://europa.eu.int/comm/energy/efficiency/index_en.htm
[3.3] *** Action Plan for Energy Efficiency: Realising the Potential , Communication from the
Commission , Commissio n of the European Communities, Brussels, C OM(2006)545 final.
[3.4] Thumann, Handbook of energy audits ,Fourth edition, Published by The Fairmont Press I.N.C,
1992
[3.5] Gadola Șt ș.a., Principii moderne de management energetic, Energobit, Cluj -Napoca, 2005
4
IDENTIFICAREA ȘI AMPLASAREA
RECEPTOARELOR ELECTRICE
4.1 Procesul de producție
4.1.1 Structura procesului de producție
Procesul de producție este definit ca totalitatea activităților desfășurate cu
ajutorul mijloa celor de muncă și a proceselor naturale , care au loc în procesul de
transfo rmare organizată, condusă și realizată de oameni, a obiectelor muncii în
produse finite ( servicii) necesare societății. Î n orice ramură industrială, procesul de
producție reprezintă unitatea organică a două laturi : procesul tehnologic și procesul
de muncă.
Procesul tehnologic reprezintă transformarea directă, cantitativă și calitativă
a obiectelor muncii, prin modificarea formelor, dimensiunilor, compoziției chimice
sau structurii interne și dispoziției spațiale a ac estora. Procesul tehnologic
constituie una din laturile principale ale procesului de producție care determină
dependența formelor și metodelor de organizare , în spațiu ș i timp , de conținutul și
caracteristica tipologică a procesului de producție.
Procesul de muncă reprezintă aportul executantului în sfera producției
industriale sau îndeplinirea unei funcții în sfera neproductivă. Deși procesul de
muncă este dependent, în ceea ce privește conținutul și structura activități lor, de
procesul tehnologic ș i de mijloacele de muncă, el are însă rolul primordial în
desfășurarea procesului de producție.
Abordarea de ansamblu a procesului de producție, necesită caracterizarea sa
atât sub aspect tehnico -material, cât și economico -social. Sub aspect tehnico –
material, pro cesele de producție, ce au loc în diferite ramuri industriale, se
caracterizează printr -o serie de trăsături specifice determinate de: g radul de
diversificare a desti nației economice a produselor (serviciilor) realizate;
complexitatea constructivă și tehno logică a produselor (serviciilor); dispers ia în
spațiu a procesului tehnolo gic și a parcului de utilaje; gradul de continuitate al
desfășurării în timp a procesu lui de producție; stabilitatea în timp a factorilor
procesului de producție.
Trăsăturile specif ice ale fabricației , în fieca re ramură industrială (tabelul
4.1), determină o anumită complexitate a structurii procesului de producție, ceea ce
se reflectă direct în efortul de organizare la care acesta este supus.
90 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
Tabelul 4 .1
Particulari tățile procesului de producție î n principalele ramuri industriale
Ramuri
industriale Factorii ce condiționează procesul de producție
Industria
energiei
electrice și
termice Caracter
omogen Complexitate
medie Concentrate in
instalații de
mare capacitate
de producție Caract er
continuu Dinamică
medie
Industria
construcțiilor
de mașini Caracter
deosebit de
eterogen Caracter
deosebit de
complex și
discret al
produselor Dispersie mare
în spațiu a unor
utilaje mici și
mijlocii Caracter
discontinuu Caracter
deosebit
de
dinamic
Industria
metalurgică Caracter
relativ
omogen Complexitate
constructivă
medie,
tehnologică
ridicată Concentrat în
instalații de mare
capacitate de
producție Caracter
continuu Dinamică
medie
Industria
chimică Caracter
relativ
omogen Complexitate
constructivă
mică,
tehnologică
ridicată Concentrat in
instalații de mare
capacitate de
producție Caracter
continuu Dinamică
medie
Industria
prelucrării
lemnului și
mobilei Caracter
eterogen
mediu Caracter
discret și
complexitate
medie Dispersie mare
în spațiu Caracter
discontinuu Caracter
dinamic
Industria
confecțiilor, și
încălțămintei Caracter
eterogen Caracter
discret și
complexitate
medie Dispersie în
spațiu relativ
redusă Caracter Dinamică
medie
4.1.2 Criterii de clasificare a proceselor de producție
Unul dint re cele mai importante criterii de clasificare a proceselor de
producție îl constituie gradul de participare al diferitelor procese parțiale de
fabricație la realizarea produselor finite (serviciilor) [4.1]. În raport cu acest
criteriu, există : procese de bază; procese auxiliare; procese de servire; procese
anexe .
Procesele de bază reprezintă acea parte din procesele de fabricație în cadrul
cărora are loc direct și nemijlocit transformarea obiectelor muncii în produse finite
(servicii). La rândul lor, proce sele de bază se clasifică în funcție d e stadii le de
fabricație. Î n industria construcțiilor de mașini, spre exemplu, procesele de bază se
grupează în raport cu stadiul de fabricație după cum urmează:
a) procese primare (turnare, forjare, trasare -debitare, tratamente termice);
b) procese de prelucrări mecanice (strunjire, frezate, găurire, alezare,
rabotare, rectificare ș.a.);
c) procese de asamblare -finisare (montaj final, probe, rodaj, de protecție și
finisare ș.a.).
Procesele auxiliare participă indire ct, l a realizarea produselor finite
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 91
(serviciilor) prin crearea condițiilor materiale necesare desfășurării normale a
proceselor de bază și includ: procesele de reparații, de confecționare a S.D.V. –
urilor, de ascuțire a sculelor, producerea diferi telor form e de energie utilizată în
producție.
Procesele de servire reprezintă partea din procesele parțiale de fabricație
care participă indirect la realizarea produselor finite (serviciilor) prin crearea
condițiilor organizatorice necesare desfășurării normale a p roceselor de bază și
proceselor auxilia re; ele se referă la: procese de transport intern, de gospodărire a
depozitelor, de distribuție a diferitelor forme de energie.
Procesele anexe reprezi ntă procese cu caracter colateral, care contribuie la
valorificare a resurselor reziduale, cum sunt : procesele de confecționare a
ambalajelor, valorificarea deșeurilor, confecționarea bunurilor de larg consum din
deșeuri, împachetarea așchiilor, regenerarea uleiurilor, emulsiilor etc.
Un alt criteriu de clasificare a proc eselor de producție îl constituie modul în
care executantul intervine în efectuarea proceselor de producție. În raport cu acest
criteriu se pot deosebi:
procese manual -mecanice în care acțiunea asupra obiectelor muncii se
realizează folosindu -se simult an, atât energia executantului, cât și energia exterioa –
ră a unor mijloace mecanice (de exemplu: prelucrarea la mașini -unelte c u avans
manual );
procese manuale în care acțiunea asupra obiectelor muncii se realizează
cu ajutorul unor unelte simple (de exemplu: pilirea, răzuirea, asamblarea, trans por-
tul etc ., folosindu -se numai energia executantului );
procese mecanice la care participă, în mod direct, mecanisme acționate
de o sursă de energie exterioară , executantului revenindu -i sarcina de a porni,
supraveghea, regla, alimenta și opri mecanismele respective, ca de exemplu:
procesele care se desfășoară la toate mașinile cu avans automat;
procese de aparatură care se realizează cu ajutorul unor instalaț ii, apa –
rate cu caracter special (de exemplu: tratamentul termic cu ajutorul curenților de
înaltă frecvență, prelucrarea electrochimică, prelucrarea prin electroeroziune etc. );
procese automate care se efectuează fără intervenția directă a
executantului, acestuia revenindu -i sarcina de supraveghe re, de exemplu, a
proceselor care se realizează la liniile automate.
Acest criteriu de clasificare prezintă o importanță deosebită în proiectarea
sistemelor de organizare, deoarece gradul de intervenție al executantului în
procesul de producție s e reflectă direct în structura celor două laturi ale sale,
procesul tehnologic și procesul de muncă. De asemenea, clasificarea proceselor de
producție permite auditorului să -și concentreze atenția asupra proceselor în care
energia electrică stă la baza desfășurării procesului tehnologic.
4.1.3 Operații ale procesului de producție
Din punctul de vedere al realizării tehnologice și al muncii, procesele de pro –
ducție parțiale se împart în operații [4.2]. Operația reprezintă partea procesului de
producție de a cărei e fectuare răspunde un executant, pe un anumit loc de muncă,
92 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
prevăzut cu anumite utila je și unelte de muncă, care acționează asupra unor anu –
mite obiecte sau grupe de obiecte ale muncii în cadrul aceleiași tehnologii. În
funcție de sistemul de producție (ind ividual, de serie, de masă), chiar și în cadrul
aceluiași stadiu de prelucrare, operațiile pot cuprinde categorii diferite de lucrări.
Lucrările c are se efectuează în cadrul unei operații depind de stadiul în care
se găsește transformarea obiectului muncii , precum și de sistemul de producție
(individual, de serie, de masă).
Gradul de concentrare al lucrărilor în cadrul unei operații care se efectuează
la același loc de muncă este maxim în sistemul de producție individual, pentru a se
economisi timpul de pre gătire -încheiere și timpul ajutător, și scade odată cu
trecerea la producția de serie mijlocie sau mare, prin diferențierea lucrărilor în
operații distincte ce se efectuează la diferite locuri de muncă specializate.
Operația , ca element structural de bază al procesului de producție , este des –
compusă, la rândul ei , într-o serie de diviziuni care grupează lucrările simple ,
efectuate de mașinile -unelte (latura tehnologică) și acțiunile executant ului în pro –
cesul de producție (l atura pro cesului de muncă) .
Pe m ăsura trecer ii de la producția de serie mică spre serie mare și de masă ,
crește importanța diferențierii procesului de producție în elementele sale compo –
nente, în vederea studierii amănunțite a acestora și organizării raționale a
procesului de muncă .
În industriile cu flux discontinuu, diferențierea procesului de producție,
scoțând în evidența complexitatea structurii acestuia, ierarhizarea și interdepen –
dența dintre elementele componente, reliefează totodată legitățile ce guvernează
procesul transformării obiectelor muncii în produse finite.
Problema stabilirii formelor de organizare structurală a producției prezintă
încă dificultăți serioase, datorita faptului că relațiile între tipurile proceselor de pro –
ducție discrete și forme le organizatorice sunt com plexe . Aceasta face necesar ca ,
pentru descrierea unui fenomen sau proces industrial , să se apeleze , mai întâi , la
aspectele calitative ale problemei, încadrând procesul respectiv într -un ansamblu de
clasificări care prezintă un înalt grad de generalizare. Astfel, în organizarea pro –
ducției din întreprinderile cu flux discontinuu, noțiunea cea mai generală este sis –
temul (tipul) de producție.
Cunoașterea în amănunt a proceselui de producției, descompunerea în
operații principale și stabilirea interdependenț elor între acestea asigură auditorului
electroenergetic informațiile necesare analizei consumurilor de energie electrică și
a posibilităților practice de reducere a acestora, fără a afecta desfășurarea proce –
sului de producție.
4.2 Planul general , organiz area și amenajarea tehnică
a întreprinderii
4.2.1 Planul general al întreprinderii
Creșterea tot mai accentuată a dimensiunilor sistemelor industriale moderne,
creșterea complexității tehnice și tehnologice a acestora au impus ca organizarea și
amenajar ea tehnică a întreprinderilor industriale să fie concepute , într -un mod
eficient, în concordață cu fluxul tehnologic.
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 93
În acest context, unui sistem industrial trebuie să i se asigure :
compatibilitate externă prin realizarea unor conexiuni optime cu alte
sisteme și cu mediul;
compatibilitate internă a subsistemelor componente , respectiv optimizarea
structurii interne , corelat ă cu procesele de producție din cadrul întreprinderii.
Rezolvarea compatibilității externe a sistemului face obiectul studiului de
dimensionare optimă și de amplasare a acestuia într -un mediu social , economic și
teritorial, având în vedere condiții le și restricții le care vor influența și , în același
timp, vor fi influențate de sistemul industrial.
Asigurarea compatibilității interne a sistemului industrial se realizează prin
proiectarea subsistemelo r componente ale întreprinderii și a interconexiunii lor .
Un loc deosebit de importa nt în realizare a sistemelor industriale, cu impli ca-
ții profunde în organizarea și amenajarea tehnică i nternă a subsistemelor productive
componente intercondiționate tehnologic, îl ocupă planul general.
Planul genera l reprezintă documentul în care se indică structurarea spațială a
sistemului industrial , repre zentând configurația organizării și amplasării clădirilor,
construcțiilor speciale, instalațiilor și amenajărilor tehnice, căilor de acces și
transport, a racordurilor necesare funcționării sistemului industrial.
Planul general al întreprinderii influențează direct atât volumul investițiilor
pentru r ealizarea sistemului industrial, cât și cheltuielile ocazionate de funcționarea
sa. Principalele obiective urmărite la realizarea planului general sunt următoarele:
integrarea tuturor factorilor care afectează funcționarea sistemului;
utilizarea eficie ntă a utilajelor și instalațiilor, a forței de muncă și a
spațiului;
asigurarea ușurinței de extindere și de dezvoltare a capacității, de
producție;
asigurarea flexibilității și e lasticității sistemului , necesară adaptării în timp,
la eventuale modific ări în profilul și sortimentul de fabricație, în structura pro –
ducției și tehnologiilor de fabricație;
asigurarea unei densități maxime a amenajărilor și construcțiilor, cu res –
pectarea normelor pentru spațiile de mișcare a materialelor și activităților auxiliare;
asigurarea unei concordanțe optime între fluxul tehnologic și structura
planului general;
asigurarea unei securități maxime , atât pentru oameni, cât și pentru
instalații;
asigurarea condițiilor ergonomice în spațiul productiv, a condițiil or de
comoditate și satisfacție pentru personalul întreprinderii.
Auditorul electroenergetic trebuie să analizeze planul general al
întreprinderii pentru a determina posibilitățile de limitare a pierderilor pe fluxurile
energetice dintre diferitele subsist eme ale întreprinderii și posibilitatea optimizării
acestora.
4.2.2 Date de bază ale planului general al întreprinderii
Planul general al unei întreprinderi industriale urmărește să realizeze
94 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
optimizarea obiectivelor propuse, pe baza date lor referitoar e la: procesul de pro –
ducție și structura sa, procesul tehnologic; fluxul de materiale și de oameni;
programul de producție (profilul întreprinderii), perspectivele de dezvoltare,
cooperarea cu alte întreprinderi [4.3] .
4.2.2 .1 Schema generală de fabrica ție
Baza unui sistem industrial și a planului general o constituie procesul de
producție global și structura sa optimă, corespunzător politicii de integrare adoptate
(procese de bază, auxi liare, de servire și anexe) . Dintre cele două laturi ale
procesului de producție o importanță majoră pentru structurarea rațională a
sistemului industrial și a planului general o prezintă procesul tehnologic.
În cadrul oricărei întreprinderi industriale , fabricația se desfășoară conform
unui proces tehnologic general, alc ătuit din procese tehnologice parțiale (de
detaliu). În timp ce procesul tehnologic general formează cadrul sistemului
industria l în ansamblul său, cuprinzân d toate stadiile de prelucrare ș i condițiile
tehnico -organizatorice determinate (circulația materia lelor, energia folosită etc.),
procesul tehnologic de detaliu privește toate amănuntele ce inter vin în desfășurarea
fabricației ca, de exemplu: locul de intrare a materialelor, cantitatea materiilor
prime și a produselor rezultate, tipul și dimensiunile ma șinilor necesare fabricației,
instalațiile energetice necesare, suprafețele necesare.
Concretizarea procesului tehnologic general al unei întreprinderi se face prin
elaborarea schemei generale a procesului tehnologic sau a schemei de fabricație,
prin care se reprezintă grafic drumul pe care -l parcurg materiile prime,
semifabricatele și produsele finite în cursul procesului de fabricație, precum și
legăturile funcționale care se statornicesc între diferitele secții, ateliere sau instalații
ale întreprinderii . Schema generală de fabricație exprimă totodată legăturile
diferitelor stadii de prelucrare, neținând seama de dimensiunile secțiilor sau de
amplasarea lor la scară pe teritoriul întreprinderii.
În figura 4.1 se prezintă , ca exemplu , schema fabricației de ansamblu a unei
întreprinderi constructoare de mașini.
Schema de fabricație trebuie să fi e bine concepută deoarece ea stă la baza
realiz ării planului general și determină structura și amplasarea în spațiu a clădirilor
și construcțiilor întreprinderii. În funcție de condițiile naturale locale, în special de
forma terenului, pot fi adoptate diferite soluții .
Oricare ar fi schema aleasă , se impune realizarea unui circuit care să asigure
continuitatea deplasării în același sens a materialelor, astfel ca pe la un capăt să
intre materiile prime și auxiliare, iar pe la celalalt capăt să iasă produsele fabricate.
Alegerea uneia din schemele prezentate se face încă de la început, la
proiect area întreprinderii, ținându -se seama de caracterul producției, configurația
terenului, precum și de perspectiva de dezvoltare, în viitor, a întreprinderii.
4.2.2 .2 Fluxul de materiale și fluxul de oameni
Prin flux de materiale se înțelege drumul parcurs de materialele intrate în
fabricație sub formă de materii prime sau auxiliar e, până la ieșirea lor sub formă de
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 95
semifabricate sau produs e finite. Î n raport cu desfășurarea sa în spațiu, fluxul de
materiale poate fi:
vertical, atunci când mișcarea materialelor are loc în înălțime, el putând fi
ascendent sau descendent;
orizonta l, dacă mișcarea se desfășoară în general pe sol;
mixt – mișcarea materialelor se desfășoară în înălțime, oblic sau orizontal.
Fig. 4.1 Schema fabricației de ansamblu a unei întreprinderi constructoare de mașini.
Baza organizării fluxului de materiale o constituie schema procesului
tehnologic.
Fluxul de oamen i reprezintă drumul parcurs de personalul întreprinderii de la
intrarea pe poartă până la locurile de muncă și înapoi, cuprinzând și eventualele
deplasări la alte locuri de utilitate largă din cadrul întreprinderii.
Fluxul de oameni trebuie să fie cât mai scurt, să nu se întretaie cu fluxul de
materiale, să țină seama de liniile de scurgere naturală și să asigure o degajare ra –
pidă a locurilor de muncă și a incintei întreprinderii. În general, p entru o rezolvare
optimă a acestei probleme , amplasarea intrări lor personalului se face pe laturi
opuse celor pentru materiale, iar fluxurile sunt paralele, însă de sens contrar.
4.2.2 .3 Programul de producție, perspectivele de dezvoltare
și legăturile de cooperare
Programul de producție exprimă cantitat ea și tipurile produselor c are
urmează a fi f abricate, în perioada de pl an, și servește la determinarea numărului de
utilaje, a suprafeț elor productive necesare și a modului de amplasare.
Cunoașterea perspectivelor de dezvoltare și a legăturilor de coopera re este
absolut necesară pentru elaborarea planului general, acestea determinând dimensio –
narea suprafețelor de teren și a spațiilor necesare pentru eventuale extinderi în viitor.
96 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
4.2.3 Principalele reguli ale planului general
4.2.3 .1 Diferențierea, stru cturarea și amenajarea spațiilor de producție
în concordanță cu structura procesului de producție
În conformitate cu caracteristicile și structura procesului de producție, spațiul
unei întreprinderi industriale se va diviza, fiind destinat următoarel or categorii de
unități (pe exemplul unei întreprinderi constructoare de mașini) [4.3] :
a) Unități pregătitoare în care se elaborează (produc) semi fabricatele
(turnătorii, forje, secții de debitare etc.).
b) Unități prelucrătoare care execută și montea ză produsele.
c) În diferitele ramuri ale industriei constructoare de mașini se întâlnesc:
secții de prelucrări mecanice; secții de montare; secții de presare; secții de trage re
la rece; se cții de acoperiri metalice; secți i de prelucrare a lemnului; secții de con –
strucții metalice; secții de trat amente termice .
d) Unități auxiliare deservesc unitățile productive sau execută anumite pro –
duse secundare și pot fi: secții de scule, dispozitive și verificatoare; secții de întreți –
nere mecanică, electrică și edilitară; secții experimentale pentru confecționarea pro –
totipurilor și modernizarea produselor.
e) Depozitele și magaziile sunt construcții amenajate pentru păstrarea mate –
rialelor, a semifabricatelor sau a produselor finite. După mărimea și destinația lor,
se deosebesc: depozite de metale; depozite de materiale de auxiliare ; depozite de
combustibil; depozite de materiale de construcții si retractare; depozite de material
lemnos; depozite pentru gaze comprimate în butelii; magazii de lubri fiant; vopsele
și produse chimice; magazii de modele; magazii de semifabricate turnate și forjate;
magazii pentru piese de schimb; magazii intermediare; magazii de produse finite.
f) Instalații energetice ale unei întreprinderi constructoare de mașini pot fi:
centrala electrica sau termoelectrică; stația de transformare cu tabloul de distribuție
și posturile de transformare; centrala termică; stația de compresoare; stațiile de
oxigen și acetilenă; stația generatoare de gaz ; rețeaua electrică de putere și de ilu –
minat; rețeaua de conducte de abur; rețeaua de conducte pentru aer comprimat;
rețelele de conducte pentru gaze; rețelele de conducte pentru combustibilii lichizi.
g) Instalații de transport : căi ferate normale și înguste cu utilajele de trans –
port, remizele ș i depourile necesare; drumuri și garajele pentru adăpostirea auto –
vehiculelor și electrocarelor; estacade de cale ferate și macarale; căi de transport
suspendate; mijloace de ridicat și de transportat; bascule pentru vagoane și auto –
vehicule.
h) Instalații tehnico -sanitare: r ețeaua de alimentare cu apă, puțurile, insta –
lațiile de captare, r ezervoarele, castelele de apă, stațiile de pompare și epurare; re –
țeaua de canalizare; instalația de încălzire; instalația de ventilație.
i) Unități le și construcțiile de uz general dintr -o întreprindere constructoare
de mașini pot fi: laboratoarele centrale de încercări mecanice, analize chimice și
metalografice, coroziune, metrologie, cercetări etc.; pavilioanele tehnico -admi –
nistra tive destinate c onducerii generale și activităților funcționale; porțile de intrare
cu birouri de pontaj, i nformații, eliberarea permiselor de intrare etc.; remize pentru
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 97
depozitarea materialelor de stingere a incendiilor și încăperile personalului de pază;
clădirile pent ru organizațiile social -culturale ș i cantine; clădirile pentru diferitele
unități de învățământ; instalațiile de telecomunicații cu centrala telefonică; încăpe –
rile în punctele de pază.
Numărul ș i mărimea unităților și instalațiilor enumerate mai sus difer ă de la
o întreprindere la alta, în funcție de caracteristicile produselor, volumul (cantitatea)
producției și formele specializării fabricației.
4.2.3 .2 Gruparea – zonarea spațiilor de producție în raport cu
specificul tehnologiei, gradul de periculozi tate și nocivitate
Gruparea construcțiilor presupune ca diferitele stadii de prelucrare în rudite
tehnologic să fie incluse în aceleași hale sau în același bloc industrial. Modul în
care diferitele stadii de prelucrare se pot grupa în vederea efectuării lo r în blocuri
de construcție comune rezultă din analiza procesului tehnologic și a fluxului de
materiale și de oameni. De exemplu, în industria constructoare de mașini, gruparea
se poate face în felul următor: grupa turnătorie, care cuprinde turnătoria de f ontă,
de oțel, de neferoase, modelăria, depozitul de ma teriale, de fuziune etc.; grupa
forje, care cuprinde depozitul de metale, secția de debitare, forjele cu ciocane sau
prese, tratamentul termic etc.
Zonarea secțiilor și atelierelor înseamnă împărțirea teritoriului întreprinderii
în zone, după specificul producției, pericolul de incendii sau gradul de nocivitate,
trepidații etc. Se pot pune în evidență următoarele zone :
Zona secțiilor primare. Aceste secții se caracterizează prin folosirea căldurii
în procesul tehnologic. Ele consumă mari cantități de combustibil, metale, materia –
le de fuziune, pro duc gaze, praf și zgomot, degajează mari cantități de căldură, pre –
zentând per icol de incendiu. Această zonă trebuie să fie amplasată, pe cât posibil,
lângă ca lea ferată și să fie dotată cu mijloace de ridicat și transporta t corespunză –
toare, cu depozite și magazii suficiente pentru depozitare. De asemenea, zona
secțiilor primare trebuie amplasată suficient de departe , îndeosebi de secțiile de
prelucrare mecanic ă, pentru evitarea transmiterii vibrațiilor, și în direcție contrară
vânturilor dominante, pentru evitarea răspândi rii gazelor toxice, a prafului ș i a
fumului.
Zona secțiilor de prelucrare la rece. Aceste secții consumă cea mai mare
parte a semifabricatelo r produse de s ecțiile primare, având o strânsă legătură cu
toate celelalte secții și ateliere ale întreprinderii. De aceea, secțiile de prelucrare la
rece trebuie amplasate, pe câ t posibil, în partea centrală a întreprinderii.
Zona secțiilor de prelucrare a lemnului cuprinde secția de tâmplărie,
modelărie, uscător ie de lemn, secția de ambalaje ș i depozite de cherestea. Această
zonă prezintă pericol de incendiu și, de aceea , se amplasează mai departe de zona
secțiilor de prelucrare la cald , fiind prevăzută cu instalații specifice protecției
contra incendiilor.
Zona instalațiilor energetice cuprinde centrala termică , centrala electrică
(dacă există) , secția de gazogene, instalațiile de purificare și folosire a apei in du-
striale, instalația centrala de cazane etc. La amplasarea acestei zone trebuie urmă –
98 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
rită reducerea la minim a traseului rețelelor de energie, apă, abur, aer, care deser –
vesc secțiile consumatoare. De asemenea, în cazul în care instalațiile energetice
folosesc combustibili care produc gaze toxic e, fum sau praf, se ține cont în ampla –
sarea lor de direcția predominantă a vânturilor.
Zona depozitelor cuprin de depozitele centrale de materii prime, semifabri –
cate și materiale , iar uneori chiar și depozitele de semifabricate ale atelierelor pre –
lucrăto are. Aceasta zonă se amplasează lângă calea ferată și cât mai departe posibil
de secțiile care prezintă pericol de incendiu (îndeosebi depozitele ce conțin mate –
riale inflamabile).
Zona construcțiilor administrativ -gospodărești cuprinde clădirile administr a-
tive, socia l-culturale, de învățământ, pază și pompieri ș.a. Această zonă se ampla –
sează , de regulă , pe terenul din fața întreprinderii, în apropierea intrării principale.
Desigur, zonarea poate diferi de la o întreprindere la alta, în funcție de factori i
specifici.
4.2.3 .3 Asigurarea conco rdanței între structura spațială a întreprinderii
(planul general) și flu xul tehnologic, material ș i uman
Respectarea reguli lor de concordanță impune amplasarea unităților de
producție și proiectarea căilor de acces ș i transport, astfel încât , asigurând o
funcționalitate maximă , să se obțină fluxuri cât mai scurte, fără întoarceri și
încrucișări.
Respectarea fluxului tehnologic este o condiție de bază a amplasării secțiilor
și atelierelor în cadrul structurii de produc ție a întreprinderii. Această cerință
presupune asigurarea unei succesiuni normale a prelucrării obiectelor muncii,
începând cu intrarea lor în procesul de fabricație și până la obținerea produsului
finit. Pentru aceasta, trebuie organizate legături direct e și apropiate între secții, în
vederea reducerii ciclului de manipulare, deplasare și prelucrare a obiectelor
muncii. Ampla sarea teritorială după fluxul tehnologic presupune elaborarea , în
prealabil , a schemei de fabricație, sau a procesului tehnologic de ansamblu și
respectarea, în amplasarea secțiilor, a legăturilor tehnologice dintre secțiile
înlănțuite din punct de vedere tehnologic.
4.2.3 .4 Integrarea eficientă a sistemului logistic al întreprinderii
în sistemul logistic industrial
Realizarea cerințe i de integrare impune asigurarea funcțiilor de aprovizio –
nare și distribuție fizică a produselor finite ale sistemului logistic al întreprinderii,
prin racordarea acesteia la rețeaua națională de transport pe calea ferată, rutieră sau
navală.
4.2.3.5 Alte reguli utilizate la planul general
La realizarea planului general sunt luate în considerație și ale reguli, având
importanța lor în desfășurarea eficientă a proceselor din cadrul întreprinderii:
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 99
clădirile secțiilor auxiliare trebuie să fie așez ate în apropierea secțiilor
productive deservite cu numărul de utilaje cel mai mare;
amplasarea clădirilor trebuie să fie făcută astfel încât să permită dezvolta –
rea ulte rioară, fără perturbarea planului general și fără a se dărâma unele clădiri
existen te;
la amplasarea clădirilor și a construcțiilor este necesar să se ia în
considerație normele sanitare și de prevenire a incendiilor, de iluminat și ventilație;
la amplasarea secțiilor productive trebuie să se asigure utilizarea în c ea mai
mare măsură posibilă a că ilor de comunicație locale. La introducerea că ilor ferate
pe terenul întreprinderii trebuie să se ia în considerație traficul și particularitățile
terenului; la realizarea drumuril or se va urmări ca materialele ș i semifabricatele să
aibă parc ursul minim;
clădirile secțiilor în care se desfășoară procese cu degajări nocive trebuie
să fie amplasate față de celelalte clădiri și construcții în partea ferită de vânturile
dominante ;
din punct de vedere economic și tehnic, este necesar ca diferit ele secții
mici, atât productive, cât și auxiliare, să fie grupate într -o singură clădire; de
asemenea, toate clădirile în c are se desfășoară procese asemănătoare să se concen –
treze în grupuri separate, împărțindu -se astfel terenul întreprinderii în zone.
4.3 Utilajul de producție
4.3.1 Clasificarea utilajului de producție
Utilajul de producție cons tituie partea cea mai importantă a fondurilor fixe
ale unităților economice. Prin utilaj de producție se înțelege ansamblul mașinilor,
aparatelor, uneltelor și echipamentelor accesorii destinate realizării procesului de
producție sau executării anumitor lucrări în cadrul unităților economice.
Sub raport structural, utilajul de producție se clasifică în [4.3] : mașini de
putere și utilaj energetic, mașini, insta lații ș i agregate, mijloace de transport, apara –
te și instalații de măsur are, control și reglare. Din punct de vedere economic, carac –
teristica acestor elemente structurale ale utilajului de producție o constituie faptul
că iau parte la mai multe cicluri d e producție, cu întreaga lor valoare de întrebuin –
țare, consumându -se și transmițându -și valoarea asupra produsului creat nu dintr -o
dată, ci în mod treptat, de -a lungul mai multor cicluri de producție.
Sub raportul gradului de specializare, diferitele ele mente componente ale
utilajului de producție se pot clasifica în utilaje de producție specializate și utilaje
de producție universale. În prima categorie intră cele des tinate realizării în mod
repetat a unor operații sau procese, în condiții de mare ran dament, de obținere a
unei calități superioare și de costuri reduse pe unitatea de produs. În cea de -a doua
categorie, intră utilajele destinate reali zării unor operații tehnologice sau unor
procese pentru o mare varietate de produse. Având un grad mare d e standar dizare,
aceste utilaje universale au un grad de adaptabilitate r idicat și permit o întreținere și
reparare ușoară , ca urmare a existen ței pieselor de schimb necesare și unei
documentații tehnice de reparații bine pusă la punct.
100 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
O problemă central ă în strategia dezvoltării unităților industriale o constituie
ridicarea continuă a nivelului tehnic al utilajului de producție, prin extinderea folo –
sirii tipizării și modularizării, a mașinilor -agregat, a liniilor tehnologice automate,
care să permită ut ilizarea pe scară largă a automatizării producției.
4.3.2 Amplasarea utilajelor
Prin amplasarea locurilor de muncă, în general, și a utilajelor, în special, pe
suprafețele de producție existente sau proiectate, se înțelege fixarea poziției
acestora, într -o anumită dispunere unele față de altele, potrivit anumitor r eguli.
Printr -o amplasare optimă se urmărește asigura rea unei utilizări raționale a
suprafețelor existente, limitarea deplasării materialelor sau produselor pe suprafețe,
crear ea unor condiții o ptime de muncă personalului muncitor [4.2, 4.3].
4.4 Resursele energetice
4.4.1 Clasificarea resurselor energetice
Energia utilizată în cadrul unei întreprinderi poate avea diferite forme : ener-
gie chimică (combustibili) , ener gie mecanică, căldură, lum ină, energie termică,
energie eoliană, energie geotermică, energie solară ș.a [4.4].
Baza energetică poate fi definită ca reprezentând totalitatea instalațiilor
industriale folosite pentru extracția și captarea purtătorilor de energie primară,
pentru pre pararea și prelucrarea combustibililor (obținerea produselor petroliere din
țiței, brichetarea cărbunilor ș.a.), pentru transformarea, transportul și distribuția
diferitelor forme de energie (conducte, stații de transformare, linii de transport și
distribu ție ș.a.).
4.4.2 Organizarea gospodăriei ener getice în unitățile industriale
Pentru asigurarea necesarului de energie al diferitelor activități, în cadrul
unităților industriale poate fi organizat un compartiment energetic, prevăzut cu un
personal specia lizat și o bază materială corespunzătoare. Atribuțiile principale ale
acestui compartiment sunt [4.2]:
asigurarea energiei necesare, în mod r itmic, diferiților consumatori;
folosirea în mod complet a capacității instalațiilor energetice;
raționalizar ea consumului de energie;
reducerea pierderilor în procesul de producție, transport ș i con sum.
Pentru îndeplinirea acestor sarcini, în cadrul întreprinderilor poate fi consti –
tuit un ansamblu de unități energetice, reunite în cadrul gospodăriei energeti ce,
care cuprinde: centrala electrică, stația de transformare, rețeaua electrică, sala de
cazane, stația de co mpresoare, rețelele de apă caldă , abur și aer comprimat, stația
generatoare de gaze, de oxigen, de acetilenă, instalațiile frigorifice, de ventila ție
industrială ș.a.
Identificarea și amplasarea receptoarelor electrice 101
4.4.3 Parametrii tehnici și indicatori caracteristici de exploatare
Randamentul energetic este princialul indicator urmărit în cadrul auditului
electroenergetic, find calculat ca raport procentual între energia utilă și energia
consu mată de un utilaj, mașină, insta lație, proces tehnologic etc. E xprimă în mod
practic gradul de utilizare a energiei [4.3].
Randamentul global al unui sistem se definește ca un produs al randamen –
telor parțiale ale lanțurilor energetice componente.
Consumul specific de energie , ca indicator tehnic de exploatare, reprezintă
raportul dintre energia consuma tă în unitate a de timp ș i producția realizată cu
ajutorul acestui tip de energie, în același timp. S e poate calcula pe operații, pe
produse, pe întreprindere etc.
Rentabilitatea reprezintă un parametru de exploatare cu caracter integral, în
dependență directă de randament, gra dul de încărcare a instalației și consumul
specific. E xprimă beneficiul, în lei /kW, care revine instalației.
4.4.4 Calculul necesarului normat de energie electrică
Pentru stabilirea necesarului de energie electrică se folosesc metode
diferențiate, în raport cu destinația de consum a acesteia [4.3].
Pentru calculul necesarului de energie electrică în scopuri tehnologice (Wet),
de pildă: f abricația oțelului în cuptoare electrice, pentru sudare, pentru fabricația
aluminiului, a cuprului etc., se folosește relația:
n
iei i et WQ W
1 , (4.1)
în care Qi este cantitatea de fabricat din produsul i; Wei norma de consum de
energie electri că pentru o unitate de produs i.
Pentru calculul energiei ele ctrice ncesară pentru antrenarea motoarelor Wem
se poate folosi relația:
η
psc f m
emkkWT N
W , (4.2)
în care Nm este numărul mașinilor de același tip care urmează a fi acționate; Tf
timpul mediu de funcționare al unei mașini; Wc norma de consum de energie
electrică de funcționare a mașinii ; ks factor de nesimultaneitate la folosirea
mașinilor de același fel; η randamentul moto arelor electric e; kp factor de
corecție ținând seama de p ierderile de energie electrică în rețea.
Determinarea necesarului de energie electrică pentru iluminat (Wei) se poate
face folosind o relație de calcul de forma următoare:
1001pkTP Wsil il il ei , (4.3)
în care Pil este puterea instalată a lămpilor la toate punctele de iluminat; Til durata
de iluminat în perioada de plan; ksil factor de nesimultaneitate în funcționarea
lămpilor ; ∆p valoarea procentuală a pierderi lor de energie electrică în rețeaua de
alimentare .
102 Instalații electroenergetice și elemente de audit industrial
Folosind relații asemănătoare se poat e calcula necesarul de energie electrică
și pentru celelalte destinații, cum ar fi pentru încălzit, ventilație ș.a.
Asigurarea necesarului de energie în cadrul unităților industriale se face în
mod diferențiat, în raport cu mărimea acestora și volumul cons umului.
4.5 Concluzii . Propuneri privind eficiența auditului.
Problemele tehnice referitoare la exploatarea echipamentelor electr otehnolo –
gice și a la instalațiilor electrice, trebuie să țină seama de comportarea lor în
funcționare . În acest sens este i mperativ necesar să se monitor izeze permanent
consumul de energie electrică în toate punctele importante ale sistemului electro –
energetic industrial . În urma analizei datelor rezultate din monitorizare și a cal –
culelor efectuate , se întocmesc rapoarte de a udit electroenergetic , care permit stabi –
lirea unei ierarhi ei adecvate a măsurilor tehnico -organizatorice cele mai eficiente,
care prin implementare conduc la obținerea eficienței maxime , constând în special,
în reducerea consumurilor de energie electrică .
Dintre aceste căi de reducere se menționează [4.4]:
modernizarea nomenclatorului de produse, urmându -se reducerea ponderii
produselor care necesită materii prime și materiale energointensive;
mărirea ponderii produselor c e necesită consumuri mai redus e de en ergie;
modernizarea tehnolo giilor de fabricație;
reducerea pierderilor de ener gie care au loc în rețeaua de distribuție și
consum,
alegerea celor mai raționali purtători de energie ;
întreținere a și reparare a, de bună calitate, a rețelelor electrice , precum și
realizarea unei bune izolări a acestora;
folosirea limitatoare lor de mers în gol a mașinilor -unelte;
folosir ea unor motoare electrice de putere instalată corespunzătoare puterii
necesare acționă rii mașinilor și instalațiilor;
ameliorarea factorului de putere , cu surse de putere reactivă automate ;
instalarea sistemelor automate de simetrizare a sarcinilor;
montarea filtr elor (active/pasive) de armonice;
aplatizare a curbei de sarcină ;
modernizarea și/sau înlocuirea instalaț iilor electrice neperformante ;
normarea consumurilor specifice de energi e și urmărirea respectării lor;
dimensionarea rațională a rețelei de iluminat artificial și încălzit electric;
folosirea aparatelor moderne de măsur are și control .
Bibliografie
[4.1] Andrei T. , Econometrie , Editura Economic ă, București , 2007 .
[4.2] *** Introducere în studiul analizei tehnice , Editura Economică, București, 2001
[4.3] Dumitrescu M. ș .a., Enciclopedia conducerii întreprinderii , Editura științifică și enciclopedică,
București, 1981 .
[4] Albert Hermina , Florea I., Alimentarea cu energie electrică a întreprinderilor , Editura tehnic ă,
București, 1987 .
5
PIERDERI DE PUTERE ȘI ENERGIE
ÎN SISTEMUL ELECTROE NERGETIC
INDUSTRIAL
5.1 Aspecte generale
Utilizarea rațională a energiei este impusă de creșterea costurilor purtă torilor
de energie , odată cu creșterea ef orturilor pentru obținerea acesteia , dar și, mai ales,
de ne cesitatea limitării efectelor asupra mediului ambiant. Se pot pune în evidență
trei modalități de utilizare rațională a energiei [5.1, 5.2] :
– economisirea e nergiei ;
– folosirea eficientă a energiei ;
– folosirea eficientă a energiei și d ezvoltarea surselor regene rabile .
Consumul propriu tehnologic, care corespunde pierderilor tehnice de energie
electrică în procesul de transfer a energiei electrice sau de transformare în alte
forme utile de energie, reprezintă un indicator al performanței procesului respectiv .
El este determinat pe baz a balanței energetice pe un contur specific. Ca indicator de
analiză comparativă se utilizează ponderea procentuală a consumului propriu
tehno logic față de energia electrică transportată sau absorbită în pro ces. O analiză
comparativă , în acest sens, între diferitele procese tehnologice impune precauție
având în vedere specificul proceselor de producție, tehnologiile utilizate, preocu –
pările privind eficiența energetică [5.3] .
Un domeniu specific în analiza pi erderilor tehnice îl constituie pierderile
independente de puterea absorbită, așa numitele pierderi de mers în gol. Principa –
lele elemente de rețea, care generează această categorie de pierderi, sunt:
pierderile de puteri active din circuitele de magneti zare ale transforma –
toarelor de putere din stațiile și posturile de transformare;
pierderile de puteri act ive în dielectricul cablurilor de electrice , cu pre –
ponderență la rețelele de înaltă și medie tensiune;
pierderile de puteri active generate de gr upurile de măsurare care asigură
alimentarea sistemelor de măsurare, comandă și protecție.
O reducere semnificativă a puterilor instalate în transformatoarele de putere,
cu efecte benefice în reducerea acestei categorii de pierderi, poate fi, însă, total
neeconomică și periculoasă în cazul unei creșteri a puterilor absorbite la un interval
mai mic de un an [5.4] .
Utilizarea pe scară din ce în ce mai largă a sistemelor de măsurare electro –
nice, cu performanțe deosebite, aduce reale posibilități în controlul și diminuarea
104 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
pierderilor de mers în gol. Grupurile de măsurare, care au în componență sisteme
informatice , asgură următoarele facilități [5.5] :
posibilitatea utilizării unui sistem de plată a energiei consumate în funcție
de profilul real al graficului de sarcină;
posibilitatea unui riguros sistem de control al securității sistemului de
înregistrare a datelor funcționale, oferindu -se informații detaliate la orice tentativă
de violare a securității sistemului, fapt ce determină eliminarea consumurilor
frauduloase de energie;
contorizarea exactă, sesizându -se și eliminându -se erorile de montaj,
precum și semnalizarea apariției unor dezechilibre între curenții de fază, cu
încărcarea periculoasă a conductorului neutru;
grad mult mai mare de sensibilita te în înregistrarea valorilor reduse ale
puterilor vehiculate.
5.2 Concepția elaborării bilanțurilor energetic
Alimentarea cu energie a consumatorilor, la un înalt nivel calitativ și de si –
guranță, precum și gospodărirea rațională și eficientă a bazei e nergetice presu pune,
pe de o parte, cunoașterea corectă a performanțelor tehnico -economice ale tuturor
părților componente ale întregului lanț energetic, de la producător la consumator,
iar pe de altă parte, asigurarea condițiilor optime, din punct de ved ere energetic,
pentru funcționarea acestora.
Principalul mijloc care stă la îndemâna specialiștilor pentru realizarea
acestor obiective importante îl constituie bilanțul energetic, care permite efectua –
rea, atât a analizelor cantitative, câ t și a celor cal itative , asupra mo dului de utilizare
a combustibilului și a tuturor formelor de energie în cadrul limitelor unui sistem
determinat. Acest cadru limită poartă denumirea de contur, reprezentând practic
suprafața închisă care include limitele față de care se consideră intrările și ieșirile
de energie. Prin urmare, conturul unui bilanț energetic poate coincide cu conturul
fizic al unui utilaj, al unei instalații sau al unui ansamblu complex, care în cele ce
urmează va fi menționat ca sistem [5.6] .
5.2.1 Scopu l întocmirii și analizei bilanțurilor energetice
Elaborarea și analiza bilanțurilor energetice constituie cel mai eficient mijloc
de stabilire a măsurilor tehnic o-organizatorice menite să conducă la creșterea efec –
tului util al energiei introduse într -un sistem, la diminuarea consumurilor specifice
de energie pe produs [5.7] .
Modelele matematice pentru realizarea bilanțurilor energetice au la bază
principiul conservării energiei. În acest sens, se definește mulțimea mări milor de
intrare, se calculează pie rderile din conturul de bilanț, pe categorii de procese, se
stabilesc valorile randamentelor și se constituie setul mărimilor de ieșire [5.6, 5.8] .
În funcție de scopul urmărit, bilanțurile energetice se întocmesc în patru faze
distincte ale unui sistem și anume:
la proiectarea unui sistem nou sau modernizarea unui sistem existent,
Pierderi de putere și energie electrică 105
la omologarea și recepționarea părților componente ale unui sistem,
la cunoașterea și îmbunătățirea parametrilor tehnico -funcționali ai unui sis –
tem în procesul exploatări i,
la întocmirea planurilor curente și de perspectivă privind economisirea și
folosirea rațională a energiei.
Fundamentarea consumului de energie, în planurile anuale și de perspectivă,
ale oricărui sistem energetic are la bază măsurătorile, calculele și concluziile bilan –
țurilor energetice care trebuie să țină seama de toate modificările aduse instalației
sau tehno logiilor de fabricație folosite sau preconizate.
5.2.2 Clasificarea bilanțurilor energetice
Bilanțurile energetice se pot clasifica în fu ncție de următoarele criterii [5.7, 5.9] :
a) Forma energiilor participante în proces determină gruparea bilanțurilor
energetice în două mari categorii:
Bilanțuri energetice atunci când în procesul analizat participă numai
energii ordonate, ca de exempl u în cazul bilanțurilor electrice. Bilanțurile ener ge-
tice, având un caracter exclusiv cantitativ, nu permit obținerea unor concluzii con –
crete în cazul energiilor neordonate.
Bilanțuri ex ergetice recomandate pentru sistemele în ca re participă
energii n eordonate, ca de exemplu bilanțurile termice.
În figura 5.1 sunt prezenta te, ca exemplu , fluxurile de energie în cazul bilan –
țului energetic , scris sub forma :
n
kk u i W W W
1
, (5.1)
în care Wi reprezintă e nergia introdusă în sistem ; Wu
energi a utilă, Wk pierderile de energie .
Nu pot fi evidenția te pierderile reale ale siste –
mului analizat, iar randa mentul de utilizare a energiei
introduse este influențat de acea parte a energiei care
are capacitate nulă de transformare și care, prin urma –
re, nici în condiții ideale de desfășurare a procesului,
nu se poate transforma într -o altă formă de energie.
Randam entul energetic, nu permite stabilirea
măsurii reale în care procesul analizat se depărtează de
condițiile optime.
b) Tipul purtătorului de energie grupează
bilanțurile energetice în următoarele categorii (prin
purtător de energie se înțelege totalitatea fluxurilor materiale care, în urma unor
transformări de stare, pot acumu la, transmite sau ceda energie):
bilanțuri electrice în cazul în care, în sistemul analizat, intră numai energie
electrică;
bilanțuri termice în cazul în care, în sistemul analizat, intră ca purtători de
energie aburul, apa caldă sau fierbinte; Wi
W1
W2
W3
Wu
Fig. 5.1 Diagramă de bilanț
energetic.
106 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
bilanțuri de combustibil în cazul în care, în sistemul analizat, intră ca
purtători de energie combustibili de toate formele sau gazele calde;
bilanțuri de aer comprimat în cazul în care, în sistemul analizat, intră ca
purtător de energie aerul comprimat.
c) Numărul formelor sau purtătorilor de energie , care participă în pr ocesul
analizat, permite gruparea bilanțurilor energetice în:
bilanțuri simple în cazul în care bilanțul se referă la o singură formă sau un
singur purtător de energie. Acest tip de bilanț își propune să evidențieze modul de
utilizare a unei singure form e de energie care intră în contur. Din această categorie
fac parte bilanțul de combustibil, de energie termică, energie electrică etc;
bilanțuri complexe în cazul în care se referă la două sau mai multe forme
de energie. De menționat că, bilanțul care se referă atât la combusti bilul, cât și la
energia termică , intrat e în contur, poartă denumirea de bilanț termoenergetic, iar
cel care se referă la toate formele de energie intrate în sistem se numește bilanț
energetic total.
În cazul bilanțurilor energetic e complexe, toate formele de energie sau
purtătorii de energie se exprimă în unități SI. În cazurile practice pot fi întâlnite și
alte unități de măsură care trebuie, însă, transformate în unități SI. În acest sens, în
anexa A5.1 se prezintă coeficienții d e transformare necesari.
d) Conținutul, metoda și momentul elaborării clasifică bilanțurile energe tice
în două grupe mari:
Bilanțuri de proiect , efectuate fie cu prilejul proiectării unor obiective noi,
fie la modernizarea sau reconstruirea unor obiecti ve existente. Aceste bilanțuri se
întocmesc pe cale analitică, pe baza performanțelor tehnico -funcționale garantate
de furnizori, pentru fiecare utilaj, agregat, instalație care intră în componența siste –
mului proiectat. Având caracterul de bilanț prelimin at, el trebuie să fie realizat în
ipoteza adoptării soluțiilor optime, corespunzătoare condițiilor tehnico -economice
cele mai avansate .
Bilanțuri pentru instalații existente . În această categorie pot fi incluse
următoarele tipuri de bilanțuri energetice:
Bilanțuri energetice reale prin care se înțelege relevarea, prin inter –
mediul măsurătorilor și a calculelor analitice , a situației energetice existente într -un
sistem, la un moment dat. B ilanțul real, pe lângă faptul că reflectă nivelul tehnic al
exploa tării sistemului, constituie baza tehnico -economică de fundamentare a măsu –
rilor tehnice și organizatorice menite să conducă la ridicarea performanțelor ener –
getice ale sistemului analizat, prin reducerea pierderilor și o cât mai eficientă folo –
sire a tutu ror formelor de energie;
Bilanțurile energetice optime sunt bilanțurile unui sistem analizat, în
ipoteza că acesta ar fi adus în condiții optime energetice de funcțio nare, prin apli –
carea tuturor măsurilor tehnice și organizatorice corespunzătoare nivel ului actual al
științei și tehnologiei .
Deoarece cunoștințele tehnico -științifice evoluează destul de rapid de la o
etapă la alta, condițiile optime energetice de funcționare a unui sistem înregistrează
mutații conti nui, ceea ce impune determinarea periodi că a bilanțurilor energetice
optime. Compararea acestora cu bilanțurile energetice reale indică, pe de o parte,
Pierderi de putere și energie electrică 107
decalajul existent, la un moment dat, între funcționarea reală și funcționarea în con –
diții optime, iar pe de altă parte, mărimea eforturilor ne cesare pentru realizarea
acesteia.
Bilanțurile energetice normate se realizează pe baza performanțelor
energetice ale sistemului analizat, preconizate a fi atinse de acesta într -o perioadă
determinată de timp, de obicei un an, prin aplicarea unei întregi game de măsuri
tehnice și organizatorice, stabilite pe baza concluziilor rezultate din bilanțurile
reale. Bilanțul energetic normat tinde în timp către bilanțul energetic optim.
e) Caracterul procesului de producție care intră în componența sistemului
analizat permite clasificarea bilanțurilor în două grupe caracteristice și anume:
bilanțuri energetice de bază efectuate pentru acele părți constituente
ale sistemului care determină producția de bază realizată în cadrul acestuia;
bilanțuri energetice sec undare efectuate pentru componentele auxi –
liare ale sistemului, care deservesc într -o formă sau alta procesul de bază.
După elaborarea separată a acestor două tipuri de bilanțuri, este indicat să se
facă o sinteză a lor, dacă situația reală a sistemului pe rmite acest lucru.
f) Conținutul intern al conturului , respectiv sfera de cuprindere, permite cla-
sificarea bilanțurilor energetice în bilanțuri pe agregate, instalații, secții de producție,
întreprinderi, platforme industriale, ramuri industriale și bila nțuri la nivelul econo –
miei naționale. De obicei, întocmirea bilanțurilor începe cu elementele componente
ale sistemului analizat, deci de la simplu la complex.
g) Gradul de încărcare (sarcina ) a sistemului analizat constituie un criteriu
de grupare a bila nțurilor energetice în bilanțuri elaborate la sarcini caracteristice
(maxime, nominale, minime) și la sarcini parțiale semnificative procesului
respectiv. Acest procedeu permite evidențierea variației consumurilor de energie și
a randamentelor cu gradul de încărcare a agregatelor, instalațiilor etc. care intră în
componența sistemului.
h) Perioada pentru care se elaborează bilanțul determină clasificarea bilan –
țurilor energetice în bilanțuri orare, bilanțuri pe o perioadă calendaristică oarecare
(schimb, zi , decadă, lună, trimestru, an) bilanțuri pe ciclu de funcționare și bilanțuri
pe unitatea de produs realizat într -un anumit timp. Dintre aceste tipuri de bilanțuri,
normativele prevăd ca obligatorii bilanțurile orare si anuale.
Bilanțurile pe ciclu de prod ucție se elaborează, de obicei, în cazul proceselor
ciclice, la care celelalte tipuri de bilanțuri nu permit evaluarea corectă a eficienței
energetice a acestor procese.
Bilanțul energetic pe o perioadă de un an se întocmește, în special, pentru
întreprind eri în care agregatele sau instalațiile energetice au regimuri de funcțio na-
re diferite de la o perioada la alta a anului.
Transformarea bilanțului energetic orar într -un bilanț pe o perioadă calen da-
ristică, tf , trebuie să țină seama de regimul de lucr u al tuturor părților componente
ale sistemului analizat în perioada respectivă. În acest caz, se însumează timpul de
funcționare productivă, de mers în gol, de staționare tehnologică sau de avarie și cu
perioada de la pornirea instalației până la atingere a regimului de lucru. Pentru
fiecare parte compon entă a perioadei calendaristice tf , elementele bilanțului variază
atât în raport cu parametrii interni sau externi ai sistemului, cât și în raport cu sar –
cina agregatelor componente ale sistemului.
108 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În cazul proceselor ciclice, elaborarea bilanțului pe o perioadă calendaristică
tf se obține prin multiplicarea elementelor de bilanț calculate pe ciclu cu numărul de
cicluri realizate în perioada respectivă.
În mod similar, trecerea de la bilanțul energetic pe un itatea de produs la un
bilanț pe o perioadă calendaristică se obține prin multiplicarea componentelor de
bilanț pe produs cu volumul produselor realizate în perioada respectivă.
5.2.3 Concepția elaborării bilanțurilor electroenergetice
Bilanțul electroen ergetic real stabilește legătura dintre energia preluată din
exterior de către sistemul analizat și cea consumată în interiorul său. Dacă energia
intrată în sistem este egală cu energia utilă însumată cu pier derile de energie, atunci
bilanțul este defini t ca bilanț electroenergetic închis. În caz contrar, bilanțul poartă
denumirea de bilanț electroenergetic deschis [5.10] .
În ambele cazuri, elaborarea bilanțului electroenergetic trebuie să înceapă cu
determinarea regimurilor de lucru ale tuturor instalați ilor care intră în conturul de
bilanț, precum și cu studierea schemelor de alimentare cu energie a acestora, pe
baza cunoașterii diagramelor de sarcină și a modului de utilizare și gospodărire a
energiei electrice.
Sarcina electrică este definită de putere a activă, puterea reactivă, pu terea
aparentă a consumatorilor analizați, fie la un moment dat, fie ca va loare medie pe o
perioadă anumită de timp. Dacă pe perioada elaborării bilanțului, există variații
sensibile de sarcină, în calcule se lucrează cu s arcina medie. Pentru întocmirea gra –
ficelor de sarcină, pe perioada de bilanț, trebuie cunoscute puterile instalate ale re –
ceptoarelor de energie și regimul lor de lucru.
Puterea instalată la nivelul tuturor receptoarelor de energie electrică , aflate
simul tan în funcțiune , reprezintă suma puterilor nominale raportată la durata activă
a ciclului ( tactiv). Puterea instalată, la nivelul unui sistem (secție, întreprindere etc),
se determină pe baza puterilor nominale ale receptoarelor electrice ce intră în com –
ponența sistemului respectiv. Puterea medie activă ( Pmed) și reactivă ( Qmed), precum
și valorile medii pătratice ale acestora ( Pmp , Qmp) în intervalul (0 t0).
Elaborarea bilanțurilor electroenergetice reale presupune parcurgerea
succesivă a următoarel or etape [5.11] :
elaborarea sau verificarea schemelor electrice și tehnologice ale
sistemului supus analizei și inserarea în aceste s cheme a aparatelor de
măsurare și de control necesar e;
delimitarea contururilor de bilanț, fixarea punctelor de măsur are
suplimen tare și verificarea, atentă a tuturor aparatelor destinate măsurării
curenților, puteri lor și energiilor;
efectuarea măsurătorilor într -o zi caracteristică de producție,
rezultată din analiza consumului de energie pe un an anterior perioadei de
bilanț;
determinarea energiei electrice intrate în conturul de bilanț și departajarea
Pierderi de putere și energie electrică 109
ei în diferite tipuri de consum (de exemplu, pentru iluminat și pentru producție );
consumul se determină separ at pentru energia activă și energia reactivă , calculân-
du-se factorul de pu tere mediu pe sistemul analizat ;
calcularea pierderilor de energie a tuturor consumatorilor din cadrul con –
turului de bilanț;
determinarea energiilor utile la nivelul utilajelor, instalațiilor și al între –
gului contur de bilanț;
realizarea bilanțului electroenergetic și calculul indicatorilor de eficiență;
analiza rezultatelor obținute prin comparare cu indicatorii de proiect
și cu per formanțele unor utilaje similare pe plan mondial;
stabilirea măsurilor tehnico – organizato rice necesare îmbunătățirii regimu –
lui de funcționare a tuturor componentelor sistemului analizat, în vederea atingerii,
într-un interval de timp cât mai redus, a performanțelor optime.
Ecuația bilanțului electroenergetic poate fi scrisă sub forma generală :
res p u i W W W W , (5.2
în care Wi este e nergia intrată în sistem, Wu energia utilă; Wres energia resur se-
lor energetice secundare care ies din sistem sub formă de energie electrică; Δ Wp
energia pierdută în interiorul sistemului sub formă de pierderi în rețeaua de distri –
buție,
g ex i W W W . (5.3)
În relația (5.3), Wex este energia introdusă în sistem din exteriorul acestuia;
Wg energia generată în interiorul sistemului analizat.
Expresia piederilor poate avea forma :
B m T L p W W W W W , (5.4)
în care Δ WL sunt pierderile în liniile electrice din interiorul conturului analizat,
ΔWT pierderile în transformatoarele din contur, Δ Wm pierderile în motoarele
electrice, ΔWB pierderile în bobine.
Deoarece obiectivul prin cipal al unui bilanț constă în cunoașterea cauzelor și
reducerea la minimum a pierderilor de energie, determinarea fiecărei componente
capătă o importanță deosebită.
5.3 Calculul pierderilor de energie electrică în rețelele
electrice
5.3.1 Determinarea pierderilor de energ ie în rețelele electrice
În general, rețelele electrice au două componente principale : linii le electrice
(aeriene sau subterane) și transformatoare le electrice din posturile de transformare.
Pentru aceste compon ente principale sunt dete rminate, în continuare, pierderile de
putere și energie electrică activă în valori absolute și procentuale [5.4] .
Cu datele rezultate din măsurători, se menționează câteva relații specifice
regimulu i de sarcină medie. Relațiile au fost stabilit e în ipoteza unui regim
sinusoidal, în care toți consumatorii funcționează simultan .
5.3.1.1 Indicat ori ai curbelor de sarcină
110 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Dintre indicatori i asociați graficelor de sarcină, pentru analiza pierderilor în
elementele rețelelor electrice de alimentare, prezintă int eres, în principal, următorii
indicatori [5.12, 5.13]:
puterea aparentă Si asociată unui palier i al graficului de sarcină, în regim
sinusoidal
2 2
i i i Q P S; (5.5)
puterea activă medie Pmed
fn
iii
medttP
P
1
; (5.6)
în care tf este durata de funcționare (timpul de funcționare); ti durata palierului i;
n numărul de paliere al graficului de sarcină ; Pi – puterea activă pe palierul i .
puterea reactivă medie Qmed
fn
iii
medttQ
Q
1
; (5.7)
factorul de putere mediu med = cosmed , în regim sinusoidal
2 2φcosλ
med medmedmed med
Q PP
; (5.8)
puterea aparentă medie pătratică Smp
fn
iii
mpttS
S
12
; (5.9)
factorul de formă al graficului de sarcină kf
medmp
fSS
k
. (5.10 )
5.3.1.2 Pierderi de energie electrică ac tivă în transformatoare
Pierderile de energie electrică activă WT în transformatoarele unei rețele
electrice trifazate , alimentată cu un sistem simetric de tensiuni și încărcată
echilibrat pe cele trei faze , se calculează cu relația [5.14, 5.15] :
f
n nmed sc
f Fe
nT tUU
SS
mPk PUUm W
2 2
22
; (5.11)
Pierderi de putere și energie electrică 111
în care m este numărul de transformatoare ce funcționează în paralel; Smed puterea
aparentă medie tranzitată de transformatoarele respective; U – tensiunea de linie la
borne pentru care s -a definit Smed; Un – tensiunea nominal ă a transformatorului ,
PFe pierderile de putere activă în circuitul magnetic al transformatorului; Psc
piederile active în înfăș urările transformatorului (pierderi în scurtcircuit) .
În figura 5.2 este indicată schema echivalentă care este luată în c alculul
piederilor de putere activă într -un transformator.
31U I1
RFe R1 jX1 I2'=I2u1 jX' 2
I
jX R'2
Fig. 5.2 Schema echivalentă, pe fază, a unui transformator. IFe
uU U
3 32'
2
În schema din figura 5.2 s -a notat cu U1 tensiunea din primarul transforma to-
rului și cu U2 tensiunea din secundarul acestuia. Raportul de transformare rezultă
ca raport al tensiunilor din primar și din secundar u = U 2/U1. Rezistența R1 a înfă –
șurării primare a transformatorului și rezistența R'2 a înfășurării secundare (valoare
raportată la tensiunea primară) determină pierderile active, în scurtcircuit, ale trans –
formatorului Psc . Rezistența electrică RFe modelează piederile active PFe în cir –
cuitul mag netic al transformatorului. Curentul electric reactiv de mers în gol este
modelat de reactanța X , iar piederea de puterea reactivă în transformator este
modela tă de reactanța X1 a înfășurării primare a transformatorului și de reactanța
X'2 a înfăsurării sec undare a transformatorului (val oare raportată la tensiunea din
primar).
Dacă se aproxim ează tensiunea U =U1=U'2 cu tensiunea nominală Un rezultă
pentru relați a (5.11) expresia :
f
nmed scf Fe T tSS
mPk Pm W
2
2
; (5.12)
Valoarea procentuală a consumului propriu tehnologic ΔWT [%] se defi –
nește cu relația:
100 [%]
f medTTt PWW. (5.13)
Expresia consumului propriu tehnologic ΔWT [%] poate fi pusă și sub forma
aprox imativă:
100φcos φcos[%]2
med nmed
nsc f
med medFeTSS
SP
mk
SPm W
. (5.14)
Analiza relației (5.14 ) pune în evidență faptul că pierderile procentuale,
ΔWT [%], sunt dependente de parametrii nominali ai transformatorului și de
indicatorii curbei de sarcină kf și cosmed.
112 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
5.3.1.3 Pierder i de energie electrică activă în liniile electrice
În calculul pierderilor într -o linie electrică este utilizată schema echivalentă
indicată în figura 5.3. Admitanța specifică G0 modelează pierderile active ale liniei
(independente de încărcarea liniei), datorate izolației imperferte a acesteia față de
pământ. Rezistența electrică specifică R0 modelează pierderile active Joule, depen –
dente de încărcarea liniei. Capacitatea specifică C0 a liniei (importantă numai în
cazul liniilor în cablu sau a liniilor d e înaltă tensiune) determină puterea reactivă
generată de liniei, iar reactanța specifică X0 definește consumul de putere reactivă
al liniei.
I1
G0l R0l jX0l
Fig. 5.4 Schema echivalentă, pe fază, a
unei linii electrice. C0l
31U
32U I2
Pentru o linie electrică trifazată, alimentată cu un sistem simetric de tensiuni
încărcată echilibrat pe cele trei faze, în regim sinusoidal, relația prin care se pot
determina pierderile de energie electrică WL este [5.14, 5.15] :
lt k
US
sUG Wf fmedmed L
2
222
0ρ
, (5.15 )
în care este rezistivi tatea conductoarelor liniei ; l lungimea liniei ; s aria sec-
țiunii transversală a conductoarelor liniei; Umed = (U1+U2)/2 tensiunea medi e de
funcționare a liniei ; U tensiunea liniei pentru care se consideră Smed; G0
conductanța trans versală specifică (pe unitatea de lungime) a liniei ; Smed puterea
aparentă tranzitată pe linie .
Dacă se consideră că tensiunea medie Umed și tensiunea U sunt egale cu
tensiunea nominală a liniei , calculul mărimii WL se poate face cu ajutorul relaț iei:
lt k
US
sUG Wf f
nmedn L
2
222
0ρ
, (5.16 )
Consumul propriu tehnologic ΔWL [%] al liniei poate fi cal culat pe baza
relației de forma :
100 [%]
f medLLt PWW, (5.17)
care, în condițiile aplicării relației ( 5.17), devine :
100φcosρ
φcos[%]2
22
0
lk
US
s SUG W
medf
nmed
med mednL
. (5.18)
În cazul liniilor electrice cu izolație perfectă ( G0 = 0) relația ( 5.15) se
Pierderi de putere și energie electrică 113
simplifică astfel:
ltk
US
sWffmedL 2
22ρ
, (5.19 )
iar relațiile ( 5.16) și (5.18) devin
.100
φ cosρ[%];ρ
22
222
22
medf
nmedLff
nmedL
lk
US
sWltk
US
sW
(5.20 )
5.3.2 Calculul pierderilor minime de energie electrică
în rețelele electrice
5.3.2.1 Pierderi de energie electrică minime în liniile electrice
de distribuție de medie tensiune
Deoarece există o dependență directă între valoarea pierderilor de energie și
tensiunea la care funcționează linia electrică, prezintă interes evidenți erea legăturii
dintre căderea admisibilă de tensiun e și pierderile de energie electrică. Astfel,
pentru o linie electrică cu rezistența electrică specifică r0, reactanța specifică x0 și
lungimea l, care aliment ează un consumator concentrat ce absoarbe un curent
electric maxim Imax , la un anumit factor de putere = cos, căderea de tensiune
longitudinală U este [5.4, 5.14] :
l I x r U max 0 0 φsinφcos 3 , (5.21 )
iar pierderile de energie electrică activă, considerând linia cu G0 = 0 rezultă :
f medf L tl Ikr W 2 2
03, (5.22 )
Dacă se consideră că valoarea căder ii de tensiune , la curentul electric maxim
al consumatorului , corespunde valorii admisibile Uad , atunci prin eliminarea
lungimii liniei din relațiile (5.21) și (5.22 ) se obține relația
adf U medf
L Ux rtk Ikr
W
φsinφcos3
0 02
0
max
, (5.23)
în care kU este factorul de umplere al graficului de sarcină definit ca raportul dintre
Imed și Imax.
Valoarea extremă a pierderilor de ene rgie electrică și a căderii de tensiune
longitudinale se obține pentru
00maxφtanxr, (5.24 )
și poate fi evaluată cu
med ad Uf L I U kkzrW 2
00max 3, (5.25)
în care z0 este impedanța specifică a liniei definită prin
114 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
2
02
0 0 x r z, (5.26 )
Expresia mărimii ΔWL [%] rezultă :
100φsinφcosφcos[%]
0 02
0
max
nad Uf
LUU
x rkkr
W
, (5.27)
Valoarea max imă a mărimii ΔWLmax [%] din expresia ( 5.23) este obținută
ținând seama de relația (5.24):
2
0
max %
002fU
Lr k kWrz
, (5.28)
în care este căderea procentuală admisibilă de tensiune.
5.3.2.2 Minimul pierderilor de energie electrică în transformatoarele
din posturile de transformare PT
Dacă se pune condiția de extrem în relația (5.14) se obține încărcarea apa –
rentă medie , Smed care conduce la consum propriu tehnologic minim [5.4, 5.5] :
scFe
n
fmedPPSkmS
. (5.29 )
Consumul propriu tehnologic corespunzător este:
Fe sc
nf
medT P PSk
W φcos200
min
. (5.30)
Se observă că și în acest caz modul de utilizare a energiei electrice (forma
graficului de sarcină ) este important pentru nivelul pierderilor Δ WT, pe lângă tipul
și caracteristicile nominale ale transformatoarelor.
5.4 Pierderi de energie în s isteme de acționare electrică
5.4.1 Randamentul sistemelor de acționare electrică
Un sistem de acționare electrică (SAE) este un ansamblu de elemente inter –
conectate, cu ajutorul căruia se realizează conversia energiei electrice în energie
mecanică, în scopul efect uării unui proces tehnologi c. Acesta trebuie să asigure
realizarea optimă a parametrilor procesului tehnologic cu i nvestiții cât mai reduse
și cu pierderi minime de energie [5.4, 5.16] .
Orice sistem de acționare are, în principiu, următoarele componente
structurale (fig.5.4 ):
moto r electric (ME ) ansamblu care asigură conversia energiei electrice
în energie mecanică (convertor electromecanic) ;
organ de transmisie (OT ) subansamblu care asigură transmisia mișcării
de la motorul electric la mașina antrenată; în numeroase situați i organele de
transmisie realizează și modificarea necesară a vitezei mișcării transmise;
mașina de lucru (ML) numit și mecanism exec utor subansamblu care
realizează procesul tehnologic.
Pierderi de putere și energie electrică 115
Sistemul de acționare electrică conține și alte elemente ca echip amente de
alimentare cu energie electrică , comutație, c omandă, reglare și protecție care pot fi
considera te ca fiind incluse în dispozitivul de alimentare (DA).
Pentru determinarea corectă a regimului energetic al sistemului de acționare
electrică este ne cesar să se cunoască serviciul de funcționare al acestuia, determinat
de succesiunea și durata de menținere a regimurilor sale de funcționare.
Rețea
electrică de
alimentare
P
DA
ΔPda ηda
ME
ΔPme ηme
OT
ΔPot ηot
ML
ΔPml ηml
Pu
Fig.5. 4 Elementele componente ale unui SAE .
Regimul de funcționare al unui motor electric reprezintă ansamblul valorilor
numeric e ale mărimilor mecanice și electrice care caracterizează funcționarea
acestuia la un moment dat.
Serviciul tip al unui motor electric este dat de succesiunea și durata de menți –
nere standardizată a regimurilor sale componente este un serviciu de funcțio nare
convențional.
Se definesc 8 servicii de funcționare tip:
S1 – continuu;
S2 – de scurtă durată;
S3 – intermitent periodic;
S4 – intermitent periodic cu durată de pornire;
S5 – intermitent , cu durată de pornire și frânare electrică;
S6 – neîntrerupt , cu sarcină intermitentă periodic;
S7 – neîntrerupt , cu frânări periodice;
S8 –neîntrerupt , cu modificarea periodică a vitezei de rotație .
Serviciul S 1 se caracterizează prin funcționare la sarcină constantă un interval
de timp tf ≥ (3 4)T, suficient de mare pentru stabilirea echilibrului termic , sim bo-
lul T reprezentând constanta d e timp de încălzire a mașinii electrice sau coeficientul
de timp termic .
În serviciul S 2 motorul electric funcționează un timp mai scurt decât cel ne –
cesar a tingerii echi librului termic, tf < (3 4)T. După deconectare , motorul
electric rămâne în repaus un timp suficient de mare pentru a atinge temperatura
mediului amb iant, înainte de a fi reconectat . Duratele de funcționare tf sunt stan dar-
dizate la 10, 3 0, 60 și 90 min.
Serviciul S 3 este ciclic. Durata unui ciclu tc este suficient de mică astfel încât
nu se stabilește echilibrul termic și nu se ajunge la o temperatură stabilizată. Cele
două componente temporale ale ciclului – durata de funcționare, tf și cea de repaus,
tr – îndeplinesc condiția tf < 3T și tr< Tr, în care Tr este constanta de timp de răcire.
Temperaturile la care se ajunge în timpul funcționării nu trebuie să depă –
șească anumite valori admise. Temperaturile maxime admisibile ale înfășurăr ilor
depind de clasa de izolație a acestora.
Supratemperatura = a se calculează în funcție de temperatura înfășu –
116 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
rării mașinii și temperatura θa a mediului ambiant. Supratemperatura maximă
max este dată de relația max = max a , unde Δ θ pune în evi dență faptul
că în interiorul mașinii electrice există puncte în care temperatura este mai mare
decât cea medie.
Serviciile S 4 și S 5 sunt, de asemenea, ciclice și cu funcționare intermitentă, ca
și serviciul S 3.
Pentru caracterizarea unui regi m intermitent de funcționare se folosește
noțiunea de durată relativă de acționare (sau durată relativă de funcționare):
100 100
cf
r ff
tt
t tt
DA
. (5.31)
Valorile standardizate ale duratei relative sunt DA =15%; 25%; 40%; 60%,
iar pentru durata ciclului tc =10min, în serviciile tip cu caracter ciclic.
Celelalte servicii (S6, S7 și S8) se caracterizează prin faptul că motorul
electric este conectat permanent la rețeaua electrică. Din punct de vedere al regi –
mului de încălzire, dacă durata ciclului, în aces te servicii, este mică în raport cu
constanta termică de timp – caz întâlnit frecvent în practică – se poate admite că se
atinge un regim termic stabilizat, (cu o temperatură aproximativ constantă).
Sistemele de acționare electrică funcționează , în majorit atea situațiilor, cu
principalii parametrii constanți: tensiunea și frecvența de alimentare, curent electric
de excitaț ie, număr de poli, rezistență electrică ( sau impedanță) a circui telor induc –
tor și indus, viteză de rotație ș i cuplu mecanic . Se spune că un asemenea regim de
funcționare este staționar. Dacă în cursul funcționării unui sistem de acționare
electrică există intervale de timp în care parametrii funcționali ca tensiuni, curent
electric , viteză unghiulară, cupluri etc. v ariază, atunci acesta se regăsește într -un
regim tranzitoriu, nestaționar sau dinamic. De regulă, regimul tranzitoriu apare la
trecerea de la un regim staționar la altul. El poate fi comandat în funcție de necesi –
tățile procesului tehnologic sau poate fi accidental, consecutiv pe rturbațiilor produ –
se de modificarea tensiunii, intensității curentului electric de alimentare sau a frec –
venței acestuia, dar – în special – de modificarea cuplului rezistent la mașina de
lucru sau la organul de transmisie .
În realitate există numeroase motoare electrice (malaxoare, tocătoare, mori
cu bile, pompe cu piston etc.) la care cuplul rezis tent variază permanent astfel încât
sistemul de acționare este practic tot timpul în regim tranzitoriu.
Dacă variațiile cuplului rezistent se produc cu o anumit ă regularitate , pe pe –
rioade scurte de timp, se obține un regim de funcționare cvasistaționar.
În timpul regimului tranzitoriu au loc transformări energetice din energie
electrică în energie mecanică și termică, care influențează consumul global de
energie al sistemului de acționare, cu atât mai mult cu cât ponderea temporală a
regimurilor tranzitorii este mai mare în raport cu durata de funcționare.
În timpul regimurilor tranzitorii în care viteza de rotație crește, o parte din
energia electrică absorbită de la rețea se transformă în energie cinetică (de rotație),
iar în timpul regimurilor tranzitor ii de frânare, această energie sau o parte din ea
– se transformă în energie electrică sau în lucru mecanic util pentru realizarea pro –
cesului tehnologic. Aces te transformări ale energiei sunt însoțite de procese irever –
sibile – înregistrate în bilanțul energetic al sistemului de acționare drept pierderi –
care conduc la încălzirea motorului electric de acționare și a medi ului ambiant.
Pierderi de putere și energie electrică 117
Rezultă de aici că reducer ea acestor pierderi se poate obține prin alegerea unor
metode avantajoase de pornire, de frânare și de utilizare a maselor suplimentare de
volant.
Determinarea corectă a regimurilor de funcționare economică a unui sistem
de acționare electrică trebuie să ț ină seama atât de părțile componente ale siste mu-
lui, cât și de parametrii care caracterizează regimul economic:
P – puterea activă absorbită de la rețea,
ηda – randamentul dispozit ivului de alimentare și comandă (dacă există),
ηme – randamentul motorului electric,
ηot – randamentul organului de transmisie,
ηml – randamentul mașinii de lucru antrenate.
Randamentul unui element k al sistemului de acționare se definește prin ra –
portul dintre puterea de la ieșire Pke și cea absorbită Pki la intrarea acestui element:
kik
kikekPP
PP 1 η, (5.32 )
în care ΔPk sunt pierderile de putere în elementul considerat.
k ke ki P P P . (5.33 )
Randamentul motorului electric η me este dat de raportul dintre puterea meca –
nică utilă Pmu , furnizată la arbore ș i puterea electrică activă Pmi , în cazul motoa re-
lor de tensiune alternativ ă, primită de la dispozitivul de alimentare sau direct de la
rețeaua electrică de alimentare (când lipsește dispozitivul de alimentare )
mimumePPη. (5.34 )
Randament ul global SAE al unui sistemului de acționare depinde de randa –
mentul elementelor componente , fiind cu atât mai mare cu cât aceste randamente
sunt mai ridicate:
ml ot me da SAE ηηηηη . (5.35)
Dacă nu există dispozitivul de alimentare se consideră η da=1, iar dacă
arborele mașinii electrice este cuplat direct cu arborele mașinii de lucru se
consideră ηot = 1.
Problema calculării randamentului total al unui sistem de acționare și studiul
regimurilor sale de funcționare implică cunoașterea randamentelor co mponente ηda ,
ηme , ηot , ηml .
Dintre aceste componente cel mai important rol îl are motorul electric în
calitate de convertor el ectromecanic și de sursă energo cinetică a sistemului de
acționare .
Relația (5.34 ) se poate scrie și sub forma:
me mimumeP PP
η. (5.36 )
în care ΔPme reprezintă pierderile de putere electrică activă în motorul electric.
Pentru calculul randamentul ui global al motorului electric se folosește
următoarea relație:
118 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
12
η)α1(η1α1η
nnmekk
, (5.37)
în care k este factorul de încărcare a l motorului electric , definit de raportul dintre
puterea utilă Pu furnizată la arbore le său și puterea nominală Pn indicată pe tăblița
motorului sau calculabil ă cu date nominale ale acestuia ( k = Pu/Pn), α raportul
dintre suma puterilor de pie rderi considerate Δ Pc și suma puterilor de pierderi vari-
abile nominale Δ Pvn (α = ΔPc/ΔPvn), ηn randamentul nominal al motorului electric .
Dacă parametrul α nu poate fi calculat exact (din cauza lipsei unor date
necesare) el se poate estima. Astfel pen tru motoarele:
asincrone cu rotorul în scurtcircuit, cu colivie simplă obișnuită, α = 0,5 1;
asincrone de macara, α = 0,45 0,6;
de tensiune continuă cu excitație independentă, α = 1 1,5;
de tensiune continuă cu excitație derivație , α = 1 2;
de te nsiune continuă cu excitație serie α = 0,1 0,5.
Valorile mai reduse ale parametrului corespund puterilor nominale mai
mici sau vitezelor de rotație nominale mai scăzute.
În cazul motorului asincron interesează și dependența randamentul ui în
funcție de factorul de încărcare β definit ca raportul dintre va lorile intensităților
curentului electric din circuitul rotoric I2 și valoarea sa nominală I2n
nII
22β, (5.38 )
Factorul β este definit ca un raport de valori efective a le curenți lor electrici
și nu ca raport de puteri mecanice utile la arbore , ca în cazul factorului de încărcare k.
Dacă valorile efective ale tensiunilor de alimentare , pe fază , în stator sunt
constante și dacă se neglijează pierderile prin frec are și pri n ventilație rezultă :
12
1
φcosββφcosβη
nFe n nmeSP P S
, (5.39 )
în care Sn este puterea aparentă nominală a mașinii asincrone trifazate; cos1 –
factorul de putere în circuitul statoric; Pn – pierderile Joule nominale ale mașinii;
PFe pierderile de putere în c ircuitul magnetic.
În calcule s e consideră cos1 = const. și pentru ca randam entul maxim să se
afle în domeniul max = 0,8 0,9 este necesar ca factorul max = 0,89 0,95.
5.4.2 Calculul pierderilor de energie în sistemele de acționare
Funcționarea cu tensiune, respectiv, frecvență de alimentare diferită de cea
nominală, influențează diversele categorii de pierderi, precum și cererea de putere
și energie de la rețea, conducând prin aceasta la modificarea componentelor unui
bilanț electric, determina te pentru regim normal [5.16] .
Estimarea elementelor de calcul pentru studierea comportării utilajelor în
astfel de situații se poate face pe baza unor calcule analitice, în condițiile întocmirii
bilanțurilor energetice de proiect, necesare realizării unor instalații noi sau a mo –
dernizării celor existente, precum și pe baza unor informații obținute prin măsură –
tori, direct din instalație, în cazul unor bilanțuri reale , pentru utilajele aflate în
Pierderi de putere și energie electrică 119
exploatare.
Ținând seama de marea lor răspândire în activită țile industriale, modul de
calcul al mărimilor necesare întocmirii bilanțurilor electrice , în alte condiții decât
nominale , este exemplificat pentru mașini unelte de prelucrat metale prin așchiere
și, pentru generalitate, relațiile de calcul prezentate per mit estimarea comportării
motorului electric de antrenare încă din faza de proiectare a instalației .
Estimarea mărimilor necesare întocmirii bilanțului electric al utilajului
pentru obținerea unui produs se poate face cunoscând cuplul relativ rezistent (m) la
arborele motorului, care în regim stabilizat, poate fi exprima t printr -o relație de
forma:
2n
nu
PPm, (5.40 )
în care Pu și Pn sunt puterea utilă la arbore, respectiv puterea nominală a motorului,
2 și n viteza de rotație a rotoru lui, respectiv viteza de rotație nominală a
acestuia .
Puterea utilă Pua dezvoltată la axul principal al mașinii unelte în procesul de
așchiere poate fi calculată din relația [5.16] :
]kW[ 10 804,94
2t ua idta P, (5.41 )
în care a este avansul sculei așchietoare, mm/rot; t – adâncimea de așchiere, mm;
d – diametrul de prelucrat, mm; it – raportul de transformare al cutiei de viteze.
Dacă se exprimă puterea utilă la arborele motorului în funcție de parametrii
tehnologici ai regimului de așchiere, relația de calcul a cuplului relativ rezistent m
se poate pune sub forma:
nnt
n mecn t
PCPidtam
η10 804,94
, (5.42 )
în care mec este randamentul mecanic al lanțului cinematic; Ct constantă a
mașinii dependentă de parametri i fazei tehnologice a procesului analizat.
Randame ntul mecanic al lanțului cinematic este dependent de gradul de
încărcare al mașinii unel te după o relație de forma [5.16] :
1η111η
,max,
n mec uauamec
PP
,
(5.43 )
în care Pua,max este puterea utilă de așchiere maximă dezvoltată de mașina unealtă;
mec,n randam entul mecanic maxim al lanțului cinematic.
Din relația (5.43 ) se poate remarca faptul că , pentru mașini unelte de pre –
lucrat prin așchiere, cuplul rezistent relativ m este independent de viteza de rotație,
deci de frecvența tensiunii de alimentare de la re țea.
Cunoscând cuplul mecanic relativ m pentru fiecare fază tehnologică a
prelucrării, se pot estima elementele de calcul necesare întocmirii bilanțului
electric, în condițiile în care tensiunea de alimentare raportată la valoarea nominală
este u*=U / Un și frecvența relativă a rețelei este f* = f / fn .
Etapele de întocmire a b ilanțului electric pentru o fază tehnologică sunt
următoarele:
Se determină alunecarea de regim s a motorului:
120 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
2bfbssn
, (5.44 )
În relația (5.44 ) sn este alunecar ea nominală a motorului, a cărei valoare
depinde de viteza de rotație nominală a mașinii 2n și de viteza de sincronism
0 = 2f / p , în care p numărul de perechi de poli al mașinii
02 0
nns, (5.45 )
Mărimea b din relația (5.44 ) se determină din expresia
12n n b bb, (5.46 )
în care bn este multiplul cuplului maxim a l motorului, indicat în catalog.
Mărimea b2 din relația (5.46 ) se determină din expresia
12
2 R R b b b, (5.47 )
în care
2
**
fu
mbbnR
, (5.48 )
Se determină intensitatea curentul ui electric I2' din rotor , raportat la
tensiunea din stator ul mașinii
2'
2'
2bbm I In
, (5.49 )
în care I2n' este intensitatea curentul ui electric din rotor , raportat ă la tensiunea din
stator ul mașinii , în condițiile nominale de fu ncționare a motorului; poate fi
determinat pe baza curentului electric statoric nominal I1n și a factorului de putere
nominal = cosn, indicate î n catalog, neglijând componenta act ivă a curentului de
mers în gol
bbI Inn n n2φcos1'
2
, (5.50 )
Se determină intensitatea curentul ui electric statoric din expresia :
2'
22'
2 0 1 'φcos 'φsin I II I
, (5.51 )
în care I0= I0nu*/f* este intensitatea curentul ui electric de mers în gol (cu meca –
nismul decuplat), dependent de intensitatea curent ului electric în condiții nominale
de funcționare ale motorului .
Valoarea I0n poate fi estimat ă, pe baza datelor motorului, cu relația [5.16] :
bbI In nn nφcosφsin
1 0, (5.52 )
iar valorile sin ' și cos' rezultă din relațiile
Pierderi de putere și energie electrică 121
.2'φcos;
21'φsin
22
nn
bbbb
(5.53 )
Se determină pierderile de putere activă în înfășurări le mașinii electrice :
2'
2'
22
113 IRIR PCu , (5.54 )
în care R1 și R'2 sunt rezistența electrică a înfășurărilor statorice, respectiv reziste –
nța electrică a înfășurărilor rotoric e, rap ortată la mărimile din stator .
Se determină pierderile mecanice de putere ale motorului și suplimentare
,11*;11*
,2
,
nnupls plsunn mec mec
ssf P Pssf P P
(5.55 )
în care Pmec,n și Psulp,n sunt pierderile mecanice, respectiv cele suplimentare în
regim nominal, care se pot estim a cu ajutorul relațiilor [5.16] :
. 005,0];kW[ ) 0156,0(1000 100028,59 42
,
n plsunnmec
P PH P
(5.56 )
În relațiile (5.56 ), H este înălțimea axului mașinii (indicată în catalog ) [mm] .
Se determină pierderile de putere activă în circuitul magnetic al motorului:
nFe Fe Pfuf P,2
***) 39,061,0(
, (5.57)
în care:
.1) (3η)η1(
, ,, 2
11 ,
nupls bmecnn n mec n
n
nn nnFe
P Pss P PIRPP
(5.58 )
În relația ( 5.58), n este randamentu l nominal al motorului electric .
Se determină pierderile totale de putere în motor:
upls mec Cu Fe tot P P P P P , (5.59 )
Se determină puterea utilă la arborele motorului:
nnssfmPP11*. (5.60)
Se determină puterea activă P1 absorbită de motor de la rețea:
totP PP1 . (5.61 )
Se determină puterea reactivă absorbită de motor de la rețea:
122 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
21 '
2 0 1 1 * * 3bbfmIIu U Qn n
. (5.62 )
în care U1n este tensiune a nominală de alimentare de la rețea, iar
nbbb21
. (5.63 )
Consumul suplimentar de energie electrică activă pentru transportul energiei
reactive pe rețeaua de alimentare a motorului electric analizat se poate lua în
considerare ținând seam a de echivalentul energetic al puterii reactive [kW/kVAr] .
Se determină pierderile de putere mecanică în lanțul cinematic al mașinii
unealtă analizată:
ua n mec PP P , . (5.64 )
Pentru determinarea pierderilor corespunzătoare de energie electr ică
trebuie să se țină seamă de variația duratei de funcționare a motorului electric la
diferite viteze de rotație .
Timpul total de funcționare în sarcină al motorului electric corespunzător
executării unei piese, se poate obține prin însumarea tuturor ti mpilor de bază, utili-
zați pentru modificarea , prin prelucrare , a materialului, în cele n faze tehnologice
ale operației analizate :
n
jbj fs t t
1
. (5.65 )
în care tbj este timpul de bază corespunzător fazei tehnologice j.
De exemplu, pentru oper ațiile de strunjire, timpul de bază se poa te estima cu
o relație de forma :
j
tjjj
bj kiaL
t
2π2
. (5.66)
în care Lj este lungimea drumului parcurs de sculă pentru executarea fazei tehno lo-
gice j; kj numărul de treceri al sculei pentru executarea faz ei j;
Viteza de rotație 2 a rotorului motorului de antrenare depinde de frecvența
tensiunii de alimentare :
)1(*0 2 s f . (5.67 )
În afara timpilor de bază, executarea unei piese presupune și efectuarea unor
operații a jutătoare (schimbarea vite zei de rotație , deplasarea saniei și a masei, prin –
derea și desprinderea pieselor). Durata acestor operații este normată pentru fiecare
categorie de utilaj și nu este , în general , dependentă de condițiile electrice de ali –
mentare.
Unele operații ajutătoare se pot executa fără decuplarea motorului de la
rețea ua electrică și suma timpilor acestor operații constituie timpul total de mers în
gol tagol al motorului pentru executarea unei piese (cu mecanismul antrenat):
n
jj agol agol t t
1,
. (5.68)
Pierderi de putere și energie electrică 123
Energia c onsumată sau pierdută în procesul tehnologic analizat se poate
obține ținând seama de expresia cor espunzătoare a puterii consumate și a pierde –
rilor, precum și de timpi i de funcționare ai motorului în sarcină sau în gol , pentru
fiecare fază tehnologică în parte, și apoi, pe operație.
Consumul specific de energie electrică pentru executarea u nei piese se poate
scrie sub forma:
n
jbjj agol tP t P W
11 0,1 1
. (5.69)
în care P1,0 este puterea absorbită de motor la funcționarea în gol, P1j puterea
absorbită de mot or, la funcționarea în sarcină, pentru faza j.
5.4.3 Bilanțul energetic ale motoarelor electrice asincrone
5.4.3.1 Model matematic general
În cadrul modelului matematic sunt utilizate relațiile privind puterile active
și puterile reactive [5.5, 5.16, 5 .17]:
,σμσ;
r s au mv r Fe s a
Q Q Q QP P P P P P
(5.70 )
în care Pa și Qa reprezintă puterea activă respectiv puterea reactivă, absorbite din
rețeaua electrică de alimentare; Ps și Pr pierderile prin efect Joule, în stator și,
respectiv, în rotorul maș inii; PFe și Pmv pierderile în circuitul magnetic al
mașinii și, respectiv, pierderile mecanice și de ventilație; Pu puterea disponibilă
la arbore le mașinii; Qs și Qr puterea reactivă necesară pentru acoperirea
fluxului de dispersie din stator și, respectiv, din rotor, Q puterea reactivă
necesară circuitului de magnetizare al mașinii.
În figura 5.5 este indicată schema echivalentă, pe fază, a mașinii asincrone,
luată în considerație în cad rul bilanțului ele ctroenergetic, iar în figura 5.6 sunt
indicate diagram ele de bilanț ale puterilor active și ale puterilor reactive pentru un
motor asincron.
Us I
RFe Is Rs jXs Ir' jX'r
I
jX R'r/s
Fig. 5.5 Schema echivalentă, pe fază, a motorului asincron. IFe
124 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Pa
Ps
PFe
Pr
Pmv Pe
Pu Qa
Qs
Qm
Qr
Fig. 5.6 Diagramele de bilanț ale puterilor active și ale puterilor reactive.
Puterea electromagnetică a mașinii este dată de relația:
ssP P P Pr u mv e1. (5.71)
Valoarea pierderilor mecanice și de ventilație se poate obține în cadrul unei
încercări de mers în gol (cu mașina de lucru decuplată mecanic de motor) la care se
măsoară tensiunea de alimentare pe fază Uso , intensitatea curentului electric
absorbit I0 sau puterea activă absor bită Pa0. În funcție de mărimile măsurate se
determină alunecarea de mers în gol s0. Cu această valoare se calculează pierderile
în înfășurarea rotorică ( Pr0) și apoi pierderile mecanice și de ventilație
00 01
ssP P Pr e mv. (5.72)
De asemenea, prin tr-o încercare de mers în gol, pierderile mecanice și de
ventilație pot fi determinate din relația :
Fe ss a mv P IR P P 2
0 03. (5.73 )
Pierderi le mecanice și de ventilație pot fi determinate și din datele privind
regimul nominal. Se calculează pierderile Joule în înfășurarea rotorică Prn pentru
alunecarea nominală sn și apoi rezultă :
.;1
n en mvnnrn en
P P PssP P
. (5.74 )
Puterea activă absorbită se determină cu relația ( 5.70), iar puterea
disponibilă la arbore și randamentul mașinii rezultă:
.η;) (
aumv r Fe s a mv e u
PPP P P P P P P P
(5.75 )
Puterea aparentă Sa absorbită din rețeaua electrică de alimentare și factorul
de putere corespunzător rezultă din relațiile
Pierderi de putere și energie electrică 125
.φcosλ;;
2 2
aaa a aa a a
SPQ P SjQ P S
(5.76 )
5.4.3.2 Model matematic simplificat
Având în vedere că principalele mărimi de st are ale motoarelor asincrone
sunt normate , a fost posibilă găsirea unor expresii simple care să reprezinte
dependența dintre randament, respectiv factor de putere și gradul de încărcare P ,
definit ca raportul dintre puterea dezvoltată la arbore în regimu l considerat și
puterea nominală ( P=Pu/Pn) [5.5, 5.17] .
Deoarece determinarea experimentală, în condiții de exploatare, a puterii la
arbore ridică o serie de dificultăți , s-a adoptat utilizarea indicatorului de încărcare
cu putere activă P sau a indica torului de încărcare în curent electric I (I =I/In),
pentru caracterizarea regimului.
Utilizarea acestor indicatori este avantajoasă având în vedere posibilitatea
determinării simple a puterilor și a intensitătii curenților electrici.
Pe baza determinăr ilor experimentale sunt cunoscute curbele de variație ale
randamentului și ale factorului de putere = cos, în funcție de gradul de
încărcare β (asociat puterii active P , ori curent ului I ) , ale căror dependențe sunt
redate în figura 5.7 a), sau în nomograma din figura 5.7 b).
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 ,
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
a) b)
Fig. 5.7 Dependența randamentului și a factorului de putere de gradul de încărcare (a)) și
nomogramă pentru calculul randamentului me , a puterii utile Pmu și a pierderilor de putere activă
Pme (b)).
Sunt cunoscute relații analitice empirice pentru randamentul η funcție de
încăr carea acestuia. Astfel:
dacă se utilizează indicatorul P se obține :
P PP
b a βββη; (5.77)
126 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
dacă se uti lizează indicatorul I rezultă :
I II
b a βββη. (5.78)
Factorii a și b depind de valoarea randamentului nominal, respectiv de cea a
factorului de putere nominal. Valori le medii ale acestor factori sunt indicate în
anexa A5.2. Aceste val ori pot oferi dat ele inițiale pentru adoptarea d e decizii
privind reducerea pierderilor active sau pentru compensarea puterii reactive.
5.4.3.3 Modelul matematic pentru un grup de motoare asincrone
În multe cazuri, datorită limitării posibilităților de măsurare sau a numărului
mare de motoare existente într -o anumită instalație , este practic foarte dificilă trata –
rea individuală a acestora. În aceste condiții, se consideră ansamblul motoarelor în
funcțiune ca un motor echivalent pentru care se utilizează procedur a indicată an –
terior [5.5, 5.16] .
Pentru un grup de N motoare alimentate dintr -o bară comună, la care se
cunosc: puterile nominale Pni ; randamentele i și factorii de putere nominali i =
cosi , precum și puterea totală Pae absorbită de grupul de motoare se calculează:
puterea nominală a motorului echivalent :
N
ini ne P P
1
; (5.79 )
randamentul nominal al motorului echivalent :
N
ini ni
nene PP1η1η
; (5.80 )
factorul de putere nominal al motorului echivalent :
N
ini ni
nene ne PP1φcos1φcosλ
; (5.81)
gradul de încărcare a l motorului echivalent :
neaenePPβ; (5.82 )
randamentul de regim pentru motorul echivalent :
Pe PePeeb a βββη; (5.83)
în care factorii A , B , A și B corespund randamentului, respectiv factorului de
putere nominal al motorului echivalent , conform tabel elor din anexa A5.1 și din
anexa A5.2;
pierderile de putere în grupul de motoare :
ae e e P P )η1( ; (5.84)
puterea reactivă absorbită de grupul de motoare :
6; (5.85 )
Relațiile (5.79 5.85) permit definirea completă a parametrilor energetici ai
Pierderi de putere și energie electrică 127
motorului echivalent, corespunzător grupului de motoare analizat.
5.4.4 Bilanț electric pentru motorul sincron
5.4.4.1 Modelul matematic complet al unei mașini sincrone
Pentru un motor sincron, p uterea activă Pa , absorbită din rețea ua electrică de
alimentare, rezultă din relația [5.5, 5.17] :
u mv ex s Fe a P P P P P P , (5.86 )
în care Pa este puter ea activă absorbită de la rețeua electrică, PFe pierderile de
putere activă în circuitul magnetic a l mașinii ; Ps pierderile de putere activă în
înfășurarea statorului; Pex pierderile Joule în înfășurarea de excitație; Pmv
pierderile mecanice și de ventilație; Pu puterea disponibilă la arbore.
În analiza efectuată se con sideră un regim sinusoi dal și sunt cunoscute
următoarele mărimi:
Us tensiunea de alimentare , pe fază;
I intensitatea curentul ui electric absorbit de la rețea ua electrică ;
= cos factorul de putere;
Rs rezistența electrică, pe fază , a înfășurării statorice;
Xd , Xq reactanța longitudinală, respectiv transversală a mașinii ;
Xad reactanța corespunzătoare fluxului longitudinal de reacție;
Rex rezistența electrică a înfășurării de excitație;
Uex , Iex tensiunea, respectiv curentul electric de excitație;
RFe reziste nța electrică corespunzăto are pierderilor în fier.
Pierderile mecanice și de ventilație se pot calcula în cadrul unei încercări de
mers în gol la care au fost măsurat e tensiunea Us0, intensitatea curentul ui electric I0
și factorul de putere cos 0. Deoarece în acest regim, puterea electromagnetică
acoperă numai pierderile mecanice rezultă
0e mv P P . (5.87 )
De asemenea, pierderile mecanice și de ventilație pot fi determinate din
datele regimului nominal
n en mv P P P . (5.88 )
Puter ea electromagnetică Pen se determină pe baza parametrilor nominali ai
mașinii.
Puterea utilă la arborele mașinii sincrone rezultă
mv e u P P P . (5.89 )
Puterile activă și reactivă absor bite la bornele statorului se obțin din relațiile
.φtan;
a amv s Fe u u a
P QP P P PP P P
(5.90 )
Randamentul mașinii rezultă
au
PPη. (5.91 )
128 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Dacă se iau în consider ație și pierderile active în înfășurarea de excitație se
obține randament ul global al mașinii :
ex au
P PP
η. (5.92 )
Diagra ma de bilanț a puterilor active, pentru motorul sincron, este prezentată
în figura 5.8.
Pex =R exIex2 Pa = 3Us Icos
Pex Pu Pe
Fig. 5.8 Diagrama de bilanț a motorului sincron. Ps PFe Pmv
5.4.4.2 Modelul matematic simplificat
Modelul simplificat permite determinarea pierderilor și a puterii utile dacă se
cunosc [5.5, 5.17] :
puterea nom inală , Pn;
factorul de putere nominal, cos n;
curentul electric nominal, In ;
puterea activă și intensitatea curentul ui electric la mersul în gol, P0 , I0 ;
puterea absorbită din rețeaua electrică de alimentare și intensitatea
curentul ui electric în regimul considerat, Pa , I .
Pierderile de putere activă relative p pot fi determinate din relația :
2
2
001
1i
ip pp pnn
, (5.93 )
în care:
. ;; ;ηη1
0000
n nn nnn
IIiIIiPPp p
(5.94 )
Din relațiile (5.93) și (5.94 ) se obțin mărimile necesare bilanțului electro –
energetic
Pierderi de putere și energie electrică 129
.φcos;η; ; 3; ;
2 2
aa
aua a a s aa n
SP
PPP S QIU SP PP Pp P
(5.95)
5.4.5 Bilanțul electric al motorului de tensiune continuă
5.4.5.1 Motorul de tensiune continuă cu excitație independentă
Schema electrică de calcul a motorului de tensiune continuă cu excitație
independentă est e prezentată în figura 5.9 . Au fost utilizate notațiile:
Rr rezistența electrică a circuitului rotorului, inclusiv a periilor;
Re rezistența electrică a înfășurării de excitație;
Ir intensitatea curentul electric din circuitul rotor ului;
Ua tensiun ea de alimentare a circuitului rotorului mașinii ;
Ue , Ie tensiunea de alimentare a circuitului de excitație, respectiv intensi –
tatea curentul ui electric de excitație;
Rc rezistența electrică a circuitului de reglare a fluxului de excitație ;
C cuplul motor al mașinii;
CR cuplul st atic rezistent al mașinii;
viteza de rotație a mașinii .
Componentele puterii absorbite Pa se calculează cu ajutorul relațiilor [5.5,
5.16, 5.17] :
; )η1(;
2
, , ,2
nrr n nrna Fe mvrr r
IR I U P PIR P
;;) (2
ra ae c e ex
I U PI R R P
(5.96 )
.η); (
auFe mv r a u
PPP P P P P
Diagrama de b ilanț este redată în figura 5.10 .
Ue Rc Ie
Re , Le E I r
Rr Ua CR C
Fig. 5.9 Schema electrică a motorului de
tensiune continuă cu excitație independentă.
130 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Pex =U eIe Pa = UaIr
(Rc+Re)Ie2 Pu =CR Pe=EIr
Fig. 5.10 Diagrama de bilanț a motorului de tensiune
continuă cu excitație independentă. RrIr2 PFe Pmv
5.4.5.2 Motorul de tensiune continuă cu excitație derivație
Schema echivalentă de calc ul este prezentată în figura 5.11 .
Mărimile care intervin în elaborarea bilanțului energetic sunt calculate cu
ajutorul expresiilor:
;;
2
rr re r a a
IR PII U P
; )η1(;) (
2
, , , ,2
nrr nena n nna Fe mve c e ex
IR I U I U P PI R R P
(5.97)
.η); (
auFe ex mv r a u
PPP P P P P P
Diagrama bilanțului energetic a motorului de tensiune continuă cu excitație
deriv ație este indicată în figura 5.12 .
Rc Ie
Re , Le E I r
Rr Ua CR C
Fig. 5.11 Schema electrică a motorului de
tensiune continuă cu excitație derivație. I
Pierderi de putere și energie electrică 131
Pa = Ua(Ir+Ie)
(Rc+Re)Ie2 Pu =CR Pe=EIr = C
Fig. 5.12 Diagrama de bilanț a motorului de tensiune
continuă cu excitație derivație. RrIr2 PFe Pmv
5.5 Concluzii
Auditul energetic este o componentă fundamentală și în același timp un
instrument de lucru al oricărui program de acțiune având ca obiectiv economisire a
energiei. Procedură complicată, uneori chiar meticuloasă, dar absolut necesară,
întocmirea unui audit energetic permite în final obținerea unei imagini clare a
modului în care fluxurile de purtători de energie intră, se distribuie, se transformă
și se co nsumă în interiorul conturului de bilanț [5.5].
Auditul energetic pune în evidență schimburile cu exteriorul, schimburile
între părțile care alcătuiesc subiectul analizei și modul în care sunt, în final,
valorificate resursele preluate din exterior. Sunt a stfel identificate punctele unde se
manifestă ineficiența, precum și amplitudinea pierderilor cauzate de aceasta. Se
constituie astfel baza viitoarelor decizii având drept scop eficientizarea energetică a
întregului sistem, care pot consta în reorganizări, raționalizări, îmbunătățiri,
modernizări, retehnologizări etc.
Caracteristicile principale ale unui audit energetic sunt [5.5] :
surprinde un regim de funcționare, pentru o anumită încărcare a utilajelor
și anumite condiții de funcționare;
nu poate ofe ri informații zilnice legate de modul de exploatare;
este o operațiune laborioasă ce necesită , de multe ori , să se facă apel la
consultanța din partea unor persoane de specialitate din afara organizației;
permite analiza tuturor formelor de energie c are intră și ies din conturul
fizic analizat;
permite efectuarea de verificări a corectitudinii măsurătorilor (prin calculul
erorii de închidere a diverselor ecuații de bilanț);
necesită , de multe ori , determinări care nu se fac , în mod obișnuit , pe
parcursul funcționării , în regim normal, a instalațiilor .
Datorită caracteristicilor prezentate mai sus, rezultă că auditul energetic nu
poate fi realizat decât la anumite intervale de timp. El reprezintă însă o operațiune
precisă, relativă la un „moment i nstantaneu” (sau mai multe) din perioada de
exploatare.
132 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Anexa 5.1
Relații între diferite unități de măsură
Tabel ul A5.1.1
Coeficienți de transformare a unităților de măsură
pentru energie [5.3, 5.18, 5.19 ]*)
Unitatea de
măsură care se
transformă Coeficienții de multiplicare
J kWh
1kcal 4,1868103 1,163103
Termie 4,186 8·106 1,163
1kWh 3,6106 1
tcc. 29,3109 8,139103
tep 44109 12,222103
103Nm3 gaz 1,46·1010 4,05·103
1J 1 0,27710-6
erg 107 2,781014
1kgfm 9,81 2,72106
Btu 1,054 5103 0,293103
1CP h 2,6845106 0,7457
*) În cadrul auditului energetic se vor utiliza numai unități SI
pentru energie. Coeficienții de multiplicare sunt utilizați numai
pentru trecerea din unități de măsurare vechi (dacă mai există) în
unități SI.
Conferința Mondială a Energiei a adoptat următoarele valori
principale de echivalență:
1 tonă echivalent petrol [tep] = 10,5 [Gcal] = 44 [GJ];
1 tonă combustibil convențional [tcc] =2/3 [tep]= 7 [Gcal];
1000 [kWh] = 0,082 [tep] = 3,6 [GJ].
Tabelul A5.1.2
Unități de măsură pentru putere și echivalente [5.19 ]*)
Unitatea de
măsură care
se transformă Coeficienții de multiplicare
W MW
Erg/sec 10-7 10-13
Watt 1 106
MW 106 1
BTU/h 0,293 2,93·103
CP 735,5 735,5·106
*) În ca drul auditului energetic se vor utiliza
numai unități SI pentru energie. Coeficienții
de multiplicare sunt utilizați numai pentru
trecerea din unități de măsurare vechi (dacă
mai există) în unități SI.
Anexa 5.2
Pierderi de putere și energie electrică 133
Dependență analitică și tabelară pentru c alcul randamentului
unui motor asincron
Pierderile de energie asociate unui motor electric asincron de joasă tensiune
(cu puterea nominală de maxim 100 kW) se calculează cu ajutorul relației:
fa e tP W η1 , (A5.2.1)
în care e este randamentu l motorului la sarcina Pa ca putere medie absorbită pe
durata măsurătorilor.
Randamentul efectiv se determină cu ajutorul următoarelor relații
simplificatoare, stabilite experimental:
.
η1
η1,4122,331;
η1
η1,1122,031;
βββη
222
n nn ne
bab a
(A5.2.2)
în care este gradul de încărcare al motorului, reprezentând raportul dintre puterea
medie absorbită pe durata mă surătorilor și puterea nominală, n randamentul
nominal al motorului.
În tabelul A5.2.1 este pusă în evidență dependența randamentului η e al unui
motor asincron, la diferite val ori ale factorului de putere λ n = cosφ, pentru diferite
încărcări β ale acestuia.
Tabelul A 5.2.1
Dependența randamentului η e la diferite valori ale factor ului de putere nominal n
funcție de încărcarea β a motorului
n Gradul de încărcare al motorulu i β
0,95 0,90 0,85 0,80 0,75 0,70 0,65 0,60 0,55 0,50
0,9 0,9 0,895 0,89 0,886 0,88 0,87 0,86 0,85 0,84 0,83
0,89 0,885 0,88 0,87 0,865 0,86 0,85 0,84 0,83 0,81 0,8
0,88 0,875 0,87 0,86 0,855 0,85 0,84 0,82 0,81 0,8 0,78
0,87 0,865 0,86 0,85 0,845 0,84 0,83 0,81 0,8 0,79 0,76
0,86 0,855 0,85 0,84 0,835 0,83 0,82 0,8 0,79 0,78 0,75
0,85 0,84 0,835 0,83 0,819 0,81 0,8 0,78 0,77 0,75 0,73
0,84 0,835 0,825 0,82 0,81 0,8 0,79 0,77 0,75 0,73 0,71
0,83 0,825 0,815 0,81 0,8 0,79 0,78 0,76 0,74 0,72 0,69
0,82 0,81 0,8 0,79 0,78 0,77 0,76 0,74 0,72 0,7 0,68
0,81 0,8 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,73 0,71 0,69 0,67
0,8 0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,72 0,7 0,68 0,66
134 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
0,79 0,78 0,77 0,76 0,75 0,74 0,73 0,71 0,69 0,66 0,63
0,78 0,77 0,76 0,75 0,73 0,72 0,7 0,69 0,67 0,64 0,62
0,77 0,76 0,75 0,74 0,72 0,71 0,69 0,67 0,65 0,63 0,59
0,76 0,75 0,74 0,73 0,71 0,7 0,68 0,66 0,64 0,62 0,58
0,75 0,74 0,73 0,72 0,7 0,69 0,67 0,65 0,63 0,6 0,56
0,74 0,73 0,72 0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,62 0,59 0,55
0,73 0,72 0,71 0,7 0,68 0,67 0,65 0,63 0,61 0,58 0,54
0,72 0,7 0,69 0,67 0,65 0,63 0,62 0,6 0,58 0,55 0,53
0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,62 0,61 0,58 0,56 0,54 0,5
Anexa A5.3
Caracteristici nominale ale motoarelor asincrone uzuale de joasă tensiune
cu rotorul în scurtci rcuit, din România [5.20 , 5.21 ]
Seria AFI
Nr.
crt. Pn ,
kW In ,
A n sn mm ηn ,
%
Viteza de rotație sincronă 50 rad/s p = 2 perechi poli
1 10 24,9 0,83 0,0333 2,2 84,0
2 13 27,8 0,84 0,0333 2,2 85,0
3 17 35,6 0,85 0,0333 2,2 86,0
4 22 44,5 0,85 0,0167 2,2 87,0
5 37 71,9 0,86 0,0200 2,3 91,0
6 45 85,0 0,87 0,0200 2,5 91,5
7 55 105,0 0,87 0,0200 2,5 92,0
8 75 143,0 0,86 0,0200 2,5 92,5
(continuare)
Viteza de rotație sincronă 33,33 rad/s p = 3 perechi poli
9 7,5 18,1 0,77 0,0300 1,8 82,0
10 10,0 23,5 0,78 0,0300 1,8 83,0
11 13,0 29,8 0,79 0,0250 1,8 84,0
12 17,0 37,8 0,81 0,0300 1,8 85,0
13 22,0 59,7 0,84 0,0250 3,5 91,0
14 37,0 74,5 0,83 0,0200 3,5 91,0
15 45,0 90,2 0,83 0,0200 3,5 91,5
16 55,0 110,0 0,83 0,0200 3,5 92,0
Viteza de rotație sincronă 25 rad/s p = 4 perechi poli
17 5,5 14,6 0,72 0,0267 1,80 80,0
18 7,5 19,2 0,74 0,0100 1,80 81,0
19 10,0 24,7 0,75 0,0267 1,80 82,0
20 13,0 31,4 0,76 0,0267 1,80 83,0
Pierderi de putere și energie electrică 135
21 17,0 46,0 0,80 0,0267 3,00 91,0
22 22,0 62,3 0,80 0,0267 3,00 91,5
23 37,0 75,5 0,81 0,0267 3,00 92,0
Seria MIP 2
Nr.
crt. Pn ,
kW In ,
A n sn mm ηn ,
%
Viteza de rotație sincronă 50 rad/s p = 2 perechi poli
1 110 206 0,87 0,0147 2,9 93,00
2 132 247 0,87 0,0147 2,8 93,00
3 160 291 0,89 0,0120 3,0 94,00
4 200 361 0,89 0,0120 3,0 94,50
5 250 443 0,91 0,0100 3,0 94,00
6 315 555 0,91 0,0100 3,0 95,00
Viteza de rotație s incronă 33,33 rad/s p = 3 perechi poli
7 90 168 0,87 0,0160 3,2 92,5
8 110 204 0,88 0,0160 3,2 93,0
9 132 245 0,87 0,0160 3,2 93,0
10 160 297 0,87 0,0140 3,0 93,0
11 200 366 0,88 0,0120 2,8 94,5
12 250 455 0,88 0,0110 2,8 94,5
Viteza de rot ație sincronă 25 rad/s p = 4 perechi poli
13 75 153 0,81 0,0200 2,6 92,0
14 90 182 0,81 0,0200 2,6 92,5
15 110 222 0,81 0,0173 2,6 93,0
16 132 272 0,81 0,0173 2,6 93,0
17 160 323 0,81 0,0133 2,8 94,0
18 200 398 0,81 0,0133 2,8 94,5
(continuare)
Viteza de rotație sincronă 20 rad/s p = 5 perechi poli
19 55 120 0,76 0,0167 2,5 91,0
20 75 163 0,76 0,0167 2,5 91,0
21 90 187 0,79 0,0167 2,5 92,0
22 110 227 0,80 0,0167 2,5 92,5
23 132 275 0,78 0,0167 2,3 93,5
24 160 332 0,78 0,0183 2,2 93,5
Viteza de rotație sincronă 16,67 rad/s p = 6 perechi poli
25 45 100 0,76 0,026 1,97 90,0
26 55 121 0,76 0,026 1,97 90,5
27 75 162 0,76 0,026 1,97 91,5
28 90 193 0,77 0,026 1,97 92,0
29 110 230 0,78 0,024 2,65 93,0
30 132 280 0,78 0,024 2,65 93,0
136 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Seria MAP 2
Nr
crt Pn ,
kW In ,
A n sn mm ηn ,
%
Viteza de rotație sincronă 50 rad/s p = 2 perechi poli
1 160 314 0,85 0,022 2,20 91,0
2 200 385 0,86 0,026 2,10 92,0
3 250 472 0,87 0,026 2,00 92,5
4 315 588 0,87 0,022 2,20 93,0
Viteza de rotație sincronă 33,33 rad/s p = 3 perechi poli
5 132 263 0,84 0,0290 1,85 91,0
6 160 311 0,85 0,0260 1,90 92,0
7 200 386 0,85 0,0240 1,95 92,5
8 250 478 0,86 0,0240 1,85 92,5
9 315 595 0,86 0,0210 1,90 93,5
Viteza de rotație sincronă 25 rad/s p = 4 perechi poli
10 110 236 0,78 0,0307 1,85 90,5
11 132 282 0,78 0,028 0 1,85 91
12 160 330 0,78 0,0253 2,00 92
13 200 418 0,79 0,0267 1,85 92
14 250 505 0,80 0,0200 1,95 93
15 280 570 0,80 0,0300 1,90 93
Viteza de rotație sincronă 20 rad/s p = 5 perechi poli i
16 75 155 0,78 0,0450 1,9 90,0
17 90 189 0,78 0,0450 1,9 90,0
18 110 227 0,78 0,0400 1,9 90,5
19 132 282 0,78 0,0400 1,9 90,5
20 160 359 0,74 0,0267 1,8 91,5
21 200 445 0,74 0,0267 1,8 92,0
(continuare)
Viteza de rotație sincronă 16,67 rad/s p = 6 perechi poli
22 55 132 0,72 0,050 1,85 86,0
23 75 179 0,72 0,050 1,85 88,0
24 90 213 0,72 0,046 1,90 89,5
25 110 256 0,72 0,046 1,90 89,5
26 132 297 0,74 0,036 2,30 91,0
27 160 360 0,74 0,036 2,30 91,0
Bibliografie
[5.1] Leca A.ș.a., Principii de management energetic . Editura Tehnică, București, 1997.
[5.2] Leca A., Mușatescu V., Managementul energiei , Editura AGIR, București, 2006.
[5.3] Berinde T., Berinde M., Bilanțuri energetice î n procese industrie , Editura tehnică, București,
1985.
[5.4] Carabogdan I.Gh. ș.a., Bilanțuri energetice. Probleme , Editura tehnică, București, 1986.
Pierderi de putere și energie electrică 137
[5.5] Dușă V., Gheju P., Întocmirea și analiza bilanțurilor electroenergetice , Editura Orizonturi
Universi tare, Timișoara, 2004.
[5.6] Carabulea A., Carabogdan I.Gh., Modele de bilanțuri energetice reale și optime , Editura
Academiei, București, 1982.
[5.7] *** OUG nr. 63/1998 privind energia electrică și termică, Monitorul Oficial al României,
Partea I, nr. 51 9/1998.
[5.8] Mușatescu V., Postolache P., Balanțe și optimizări energetice , Litografia IPB, București, 1981.
[5.9] *** Legea nr. 199/2000 privind utilizarea eficientă a energiei , Monitorul Oficial al României,
Partea I, nr. 734/2002.
[5.10] *** HG nr. 339 /2002 pentru aprobarea Normelor metodologice de aplicare a Legii nr.
199/2000 privind utilizarea eficientă a energiei, Monitorul Oficial al României, Partea I, nr.
229/2002.
[5.11] *** Normativ privind metodica de întocmire și analiza bilanțurilor energeti ce în
întreprinderile industriale, ICEMENERG, București, 2002.
[5.12] Mircea I., Instalații și echipamente electrice. Ghid teoretic și practic , Ediția a doua, Editura
Didactică și Pedagogică, București, 2002.
[5.13] Albert Hermina, Florea I., – Alimentar ea cu energie electrică a întreprinderilor industriale , 2
volume, Editura Tehnică, București, 1987.
[5.14] Albert Hermina, Mihăilescu Anca, Pierderi de putere și energie în rețelele electrice.
Determinare. Măsuri de reducere , Editura Tehnică, București, 19 97.
[5.15] Buta A., Matica L., Matica R. – Factorul de putere, indicator al calității energiei electrice ,
Editura Universității Oradea, 2002.
[5.16] Saal C., Szabo W., Sisteme de acționare electrică. Determinarea parametrilor de funcționare,
Editura Tehnic ă, București, 1981.
[5.17] Potlog D. M., Bilanțul electric al acționărilor cu motoare asincrone, Energetica, nr. 8/1982.
[5.18] Berinde T. ș.a., Întocmirea și analiza bilanțurilor energetice în industrie , 2 vol. Editura
tehnică, București, 1976.
[5.19] *** Ghidul consumatorului. Culegere de acte normative privind alimentarea cu energie
electrică (bilingvă ruso -română ), Editura Lumina , Chișinău, 2006.
[5.20] Potlog D.M., Mihăileanu C., Acționări electrice industriale cu motoare asincrone. Aplicații
industria le, Editura tehnică, București, 1989.
[5.21] Răduți C., Nicolescu E ., Mașini electrice rotative fabricate în România . Îndreptar. Editura
Tehnică, București 1981 .
6
GOSPODARIREA CONSUMUL UI DE PUTERE SI
ENERGIE ACTIVĂ Î N
ÎNTREPRINDERI
6.1 Aspecte generale
Încă de la început trebu ie să se sublinieze faptul că gospodărirea con su-
mului de putere și energie electrică active, în întreprinderi, și nu numai, cons tituie
de fapt mobilul și argumentul cel mai important pentru efectuarea oricărei lucrări
de audit. Se urmărește să se pună în evidență, la consu matorii auditați toate
posibilitățile de eficientizare și economisire de putere și energie active, care sunt
prioritare pentru competitivitate și constituie baza cerințelor concurenței pe piață.
Aceste mărimi reprezintă doi factori de maximă importanță tehnico -economică,
deoarece prin valoarea chel tuielilor pe care le antrenează, au o influență hotărâtoare
în or ice întreprindere asupra realizării tuturor produselor și serviciilor, a profitului
acesteia.
În acest sens, orice auditor electroenergetic, la fiecare lucrare de audit, pe
care trebuie s -o elaboreze, în mod profesional, luând în considerație nivelul
perfo rmanțelor și complexității actuale și de perspectivă ale tutu ror echipamentelor,
trebuie să se preocupe de optimiza rea cerințele fiecărui consumator de putere și
energie electrică. Există , de fapt , o singură preocupare și anume: utilizarea
rațională, care reprezintă de fapt și interesul pentru fiecare beneficiar în parte ,
precum și la nivel național.
Efortul financiar, pentru producerea puterii și energiei activ e, are două
componente: una reprezentând investițiile pentru realizarea centralelor electrice
(surselor), care asigură în primul rând puterea activă, corespunzătoare cererii
maxime (vârfului) și , imediat după intrarea lor în funcțiune, cea de a doua
componentă, combustibilul care, pe toată durata de decenii de funcționare, să
asigure necesarul de ene rgie activă solicitat pe piața de energie electrică.
De remarcat faptul că utilizatorul final este un factor hotărâtor în gestionarea
responsabilă a puterii și energiei active, având în vedere că , în această etapă,
energia electrică, fiind o formă interme diară de energie, este transformată în
formele finale de energie, respectiv, lucru mecanic, lumină, căldură și procese
chimice. Î n acest sens, trebuie acordată o atenție deose bită utilizării cu responsa –
bilitate a puterii și energiei electrice, ceea ce es te specific economiei moderne,
138 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
competitivă pe piață.
6.2 Gospodărirea puterii active
Puterea activă se definește ca fiind energia electrică activă consumată într –
o unitate de timp și poate fi de terminată ca valoare momentană , măsurată într -un
moment oarecare (ca valoarea medie pe o perioadă a tensiunii în punctul analizat)
sau poate fi exprimată prin valori medii, pentru diferite intervale de timp, necesare
pentru anumite evaluări. Astfel, se poate menționa valoarea medie pentru un sfert
de oră sau pe o oră, convenită prin contract, care este considerată la stabilirea
puterii de vârf (maxime), pentru tarifarea energiei consumate la utilizatorii captivi ,
în cazul folosi rii tarifului binom diferențiat.
În cadrul auditului, acestui aspect trebuie să i se a corde atenție, deoarece
variațiile importante ale acestei puteri pot conduce la creșteri mari ale facturii [6.1] .
De exemplu, dacă un consumator adoptă tariful de tip A , factura sa F va fi
determinată pe baza relați ilor
dacă PV > PR:
F = EVpEV + ERpER + (PVpPV/365)NZ ;
dacă PR > PV:
F = EVpEV + ERpER + (PVpPV/365)NZ + ((PR PV)pPR/365)NZ .
(6.1)
În relațiile (6 .1) au fost utilizate notațiile:
EV energia consumată în orele de vârf de sarcină;
ER energia consumată î n restul orel or;
PV putere maximă mă surată în orele de vârf de sarcină;
PR putere maximă măsurată î n restul orelor ;
pEV prețul energiei consumate în orele de vâ rf de s arcină;
pER prețul energiei consumate î n restul orelor ;
pPV prețul anual pentru puterea maxim ă PV;
pPR prețul anual pentru puterea maximă PR;
NZ – numă rul de zile din perioada de facturare .
Din expresia (6 .1) rezultă importanța pe care o prezintă această putere medie
maximă pentru un sfert de oră sau orară (putere maximă în orele de vârf de sarc ină)
și poate afecta cheltuielile întreprin derii și costul produselor realizate. Un exemplu
de calcul poate confirma această situație (fig. 6 .1). În figura 6 .1 sunt reprezentate
trei cazuri în care se consideră că într -o oră se produce același număr de p roduse,
care necesită acee ași energie ele ctrică, de 1 kWh. În primul caz (fig. 6 .1 a)), se
admite o repartizare uniformă a producției și astfel se consumă, în fiecare din ce le
patru sferturi de oră, câte 0,25 kWh. Întrucât energia absorbită este egală în f iecare
sfert de oră, contorul reține , pentru valoarea medie maximă pe sfert de oră,
valoarea de 1 kW. Dacă p roduc ția nu este uniformă (figurile 6 .1 b) și 6.1 c)), deși
energia consumată , pe durata analizată de o oră, rămâne constantă și egală cu
1 kWh, contor ul va reține c a valoare maximă pentru puterea pe sfert de oră valoa –
rea de 1,2 kW în cazul din figura 6 .1 b) (cu 20 % mai mult față de cazul din fig. 6. 1
a)) și de 1,5 kW în cazul din figura 6 .1 c) (cu 5 0% mai mult față de cazul din fig.
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 139
6.1 a)). Aceste creșteri se reflectă direct în calculu l facturii conform relațiilor (6 .1).
Desigur că pot exista și justificări tehnologice pentru o anumită formă a curbei de
sarcină , dar este necesar să se reducă în m ăsura posibi lului aceste creșteri.
P[kW]
1
0
1 t[ore]
a) 1 kWh Pmed_max/0,25 h = 1 kW P[kW]
1,2
1
0,8
0
0,5 1 t[ore]
b) 1 kWh Pmed_max/0,25 h = 1,2 kW P[kW]
1,5
1
0,5
0 0,5 1 t[ore]
c) 1 kWh Pmed_max/0,25 h = 1,5 kW
Fig. 6 .1 Influența formei curbei de sarcină asupra puterii medii maxime pe sfert de oră.
Diferențele, care trebuie evidenț iate de auditor, se pot pune în evidență,
pentru fiecare perioadă de facturare , comparând valoarea puterii maxime , indicată
în factura de plată a energiei electrice, cu valoarea înscrisă în factura din in tervalele
anterioare de facturare.
În funcție de prevederile contractuale, contoarele utilizate pentru decontare
înregistrează valoarea medie maximă pe sfert de oră sau pe o oră.
Urmărirea valorilor puterii de vârf și adoptarea măsurilor necesare pentru
limitarea acesteia, în special printr -un control riguros al consumurilor în orele de
vârf de sarcină, pe fiecarea interval de facturare, poate avea efecte importante
asupra facturii d e energie electrică. În figura 6 .2 este indicată, pentru o întreprin –
dere, variația puterii de vârf pe intervalele de facturare (s -a considerat că un
interval de facturare corespunde unei luni a anului) , atât ca valoarea medie maximă
pe sfert de oră , cât și ca valoare medie maximă pe o oră.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 [luna]
Fig. 6 .2 Variația puterii de vârf:
pe un sfert de oră; pe o oră. P [kW]
Urmări rea variației puterii de vârf, la diferitele intervale de facturare , poate
pune în evidență și unele abateri ale procesului de producție.
Valorile înregistrate ale puterilor medii pe un sfert de oră, într -o zi, definesc
graficul de sarcină zilnic a l consu matorului. De remarcat faptul că o reprezentare
corectă a graficului de sarcină se face prin linii discontinui (eșantioanele corespun –
zând fiecărui interval de calcul) deși, de multe ori, aceasta este reprezen tată prin
linie continuă (fig. 6 .3).
140 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
6.2.1 Graficul de sarcină zilnic al puterii active
Analiza graficului de sarcină zilnic al puterii active constituie unul din
obiectivele de bază ale auditului, deoarece furnizează multe informații importante
asupra modului de funcți onare a tuturor recepto arelor situa te în aval de punctele de
măsurare. Prin interpretarea și evaluarea datelor respective pot rezulta o serie de
măsuri, pentru îmbunătățirea gospodăririi și optimizării consumului de putere
activă în întreprinderea auditată [3.2] .
În funcție de mărimea, de complexitatea proceselor tehnologice și de modul
de organizare, pe lângă graficele de sarcină corespunzătoare punctelor de intrare a
energiei electrice de la furni zor în întreprindere, cu ocazia elaborării auditului
elect roenergetic, apare necesitatea efectu ării unor măsurători suplimentare pe
durate de timp mai scurte și în alte puncte. În general, în punctul de conectarea a
întreprinderii, măsurarea se face cu contoare care, în prezent , sunt din ce în ce mai
performante , oferind o gamă largă de informații,
În fig ura 6 .4. este prezentată o schemă electrică de
principiu, în care , pentru exemplificare, sunt indicate trei
categorii de puncte de măsur are pentru determinarea
graficelor de sarcină. Astfel, în punctul 1, este situat
contorul pentru măsurarea permanentă a energiei primite din
rețeaua de distribuție la tabloul gener al de distribuție (TGD).
Graficele de sarcină, ca re se obțin cu informațiile din acest
punct reprezintă variația puterii active solicitată de
recepto arele din toată întreprinderea. Punctele de măsurare
2, 3, … , k sunt situate pe plecările din TGD spre grup uri de
recepto are mai mici sau recepto are individual e (compre –
soare, ventilatoare etc.). Măsurările , în aceste puncte , pot fi permanente, mai ales
dacă întreprinderea are și un dispecer energetic , sau dacă nu, este indicat să se facă
măsurători periodice, pe durata efectuării auditului (pentru o săptămână).
Pentru cea de -a treia categorie de puncte de măsurare, situate pe plecările de
la un tablo u intermediar de distribuție (T ID), notate cu k+1, … , n, în care, în
general nu se fac măsurători permanente, se pot organiza măsurări periodice, pe
perioada auditării, în funcție de caracteristicile, de importanța și de ponderea
consumatorilor respectivi în consumul total al întreprinderii. Prin măsurătorile
menționate, efectuate în condițiile existente în diferitele întreprinderi , se po ate pune P[kW] P[kW]
10 11 t [ore] 10 11 t [ore]
a) b)
Fig. 6 .3 Reprezentarea graficului d e sarcină ca o cur bă prin
segmente a) și ca o curbă continuă b).
1
2 3 k
k+1 n TGD
Fig. 6 .4 Categorii de
puncte de măsurare. TID
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 141
în evidență o mare diversitate de situații de funcționare reale pentru diferitele
grupuri și categorii de consu matori, care oferă o bază largă de analiză și cercetare
în vederea optimizării consumului de energie electrică în întreprinderea auditată,
inclusiv la nivelul secțiilor sau al unui număr mai restrâns de recepto are.
6.2.2 Indicatorii caracte ristici ai graf icului de sarcină
Pentru a putea defini și analiza indicatori i principali ai unui grafic de sarcină
se consideră , în fig ura 6 .5, un grafic de putere activă, zilnică, construit pe baza
valorilor medii orare, pentru o întreprindere care funcționează în trei schimburi,
inegal încărcate, cel de dimineața (schimbul 1) fiind cel mai încărcat, după care
urmează cel de după amiază (schimbul 2) și cel de noapte (schimbul 3), cel mai
descărcat.
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 t [ore]
Fig. 6 .5 Graficul de sarcină al unui consumat or cu funcționare în trei schimburi . P[kW]
(MW)
Pi
Pmax
Pmed
Pmin Wa/zi Tmax
O mărime caracteristică a graficului, care nu aparține curbei de sarcină, dar
care pune în evidență consecințe tehnice importante, o reprezintă puterea instalată
Pi, care reprezintă suma puterilor nominale ale tuturor recepto arelor de energie
electrică din întreprinderea auditată sau a le tutur or recepto arelor din sectorul din
întreprindere pentru care se realizează graficul de sarcină, inclusiv a recepto arelor
(utilajelor energotehnologice) care sunt în rezervă [6.3] . De exemplu, dacă sunt
montate trei grupuri de compresoare, din care , în mod n ormal , funcționează numai
două, în valoarea Pi , se consideră suma puterilor nominale a le tuturor celor trei
grupuri.
Informațiile necesare și valoarea Pi , se stabilesc , în cadrul lucrării de audit ,
în etapa de analiz ă a dotării energotehnologice a întrep rinderii, în ansamblu,
precum și pe secții și , eventual , pe ateliere . În puterea instalată Pi sunt inclu se toate
recepto arele de putere și de iluminat din conturul corespunzător graficului de
sarcină. Deoarece suma puterilor nominale ale recepto arelor instalate este, în
principiu, o constantă, în figura 6 .5, este redată ca o valoare constantă Pi .
În ceea ce privește graficul de sarcină activă zilnică, în vederea examinării
foarte atent e și concludente a formei acestu ia, este necesar să se dispună de un
număr cât mai mare de astfel de grafice , atât pentru zilele de lucru ale unei
142 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
săptămâni , cât și pentru cele de sărbătoare.
În general , contorul instalat în punctul 1 din fig ura 6 .4, dispune de posibili –
tatea de a furniz a, în mod direct, un mare număr de gra fice de sarcină zilnice . În
analiza acestor grafice se va da atenț ie variației formelor curbelor de sarcină și se
vor căuta și stabili cauzele acestora , care , în general, sunt determinate de variații
ale proceselor tehnologice. Acestea, odată identificate, vor fi incluse în concluziile
auditului și vor trebui examinate măsur ile de evitare a lor, deoarece pot afecta
eficiența electroenergetică.
Aceleași aspecte trebuie să fie urmările în analiza graficelor de sarcină
determinate în punctele 2 k sau în punctele k+l n (fig. 6.4).
Prima categorie de mărimi caracteristice ale graficului de sarcină zilnică o
constituie energia consumată în fiecare zi de măsurare și care se obțin e direct prin
citirea contoarelor de energie electrică. Această valoarea este notată în fig ura 4.5 cu
Wa/zi și reprezintă aria suprafaței cuprinsă într e sistemul de axe de coordonate și
graficul de sarcină. Valorile furnizate de contoare vor trebui listate și centralizate,
cu menționarea, pentru fiecare zi, a numărului (cantității) de produse finite
corespunzătoare, realizate cu instalațiile din conturul pentru care se consideră
măsurătorile efectuate.
În general, fiecare grafic de sarcină este car acterizat de o valoare maximă a
puterii medii orare (Pmax). Intervalul orar în care se realizează această valoare
depinde de specificul fiecărei întreprinderi. Valorile determinate vor fi urmărite ș i
analizate pentru fiecare grafic de sar cină trasat , pentru toate zilele de măsurare , și
se vor compara cu valorile lunare ale puterii medii max ime pe ntru un sfert de oră,
menționate în factura de plată în luna respectivă (fig. 6.2).
În principiu, valorile puterilor medii orare maxime sunt folosite pentru di –
mensionarea conductoarelor în etapa de proiectare sau pentru instalațiile în
funcțiune, respectiv în cazul întocmirii auditului, pentru calculul încărcării
conductoarelor, precum și pentru calculul pierderilor de putere și al căderilor de
tensiune .
Puterea minimă (Pmin) reprez intă, pentru fiecare grafic de sarcină , valoa rea
cea mai mică a pu terii medii orare și este mărimea care pune în evidență , împreună
cu puterea maximă, banda de variație a puterilor absorbite. Este indicat ca cele
două valori să fie cât mai apropiate, delimitând o bandă cât mai îngustă și respectiv
o dispersie cât mai mic ă față de puterea medie.
Puterea medie (Pmed), indic ată pe curba de sarcină din figura 6 .5, se deter mi-
nă din expresia:
TWPziamed/ (6.2)
în care T este intervalul de timp pentru care este obținut graficul de sarcină (24 ore).
Valoarea puter ii medii este folosită pentru calculul pierderilor de energie în
instalații, precum și pentru determinarea altor m ărimi caracteristice, precum :
Factorul de maxim kmax definit ca raportul dintre puterea maximă Pmax și
puterea medie Pmed
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 143
medPPkmaxmax (6.3)
Este indicat ca valoarea acestui factor să fie cât mai aproape de unitate
(pentru un grafic de sarcină la întreprinderi cu funcționare în trei schimburi ar
putea avea valori de 1,1 1,3) și arată gradul de umplere al graficului de sarcină
din fiecare zi.
Factorul de aplatizare k apl defin it ca inversul factorului de maxim
maxPPkmedapl (6.4)
Factorul de aplatiz are are valori subunitare și se apropie de unitate în cazul
curbelor cu variații mici ale puterilor preluate din rețea . Un grad mare de aplatiz are
prezintă impo rtante avantaje tehnico economice.
Factorul de cerere kc defin it ca raportul dintre puterea maximă Pmax și
puterea instalată Pi
icPPkmax (6.5)
Factorul de cerere este un indicator important, car e pune în evidență gradu l
de încărcare, respectiv măsura în care este solicitată întreaga dotare electro tehno –
logică a unei întreprinderi în perioada de încărcare maximă. Acesta depinde în
mare măsură de specificul întreprinderii, de nivelul tehnic, respe ctiv de perfor man-
țele echipamentelor electrotehnologice, precum și de competența profesională și
managerială a conducerii tehnice și administrative a întreprinderii.
Domeniul de variație a factorului de cerere este foarte larg , având, orientativ ,
valori în dom eniul 0,2 0,6(0,7) și este indicat ca valorile reale s ă fie cât mai
mari. Este necesar să se rețină separat puterea nominală (instalată) a echipamen –
telor în rezervă, pentru a putea determi na și o valoare mai realistă a factorului de
cerere, dar și pentru a cunoaște ponderea echipamentelor în rezervă, care afectează
negativ valoarea acestui factor .
Factorul de cerere prezintă valori mai ridicate dacă, în relația (6.5) este
utilizată puterea medie maximă pentru sfertul de oră cel mai încărcat din tr-o lună
(Pmed max 15 min ) (fig. 6.2) înregistrată de furnizor și menționată în factura lunară.
Se poate completa analiza factorului de cerere ( kc), determinându -se valorile
acestuia și la nivelul secțiilor sau a l unor ateliere cu specific tehnologic și d e dotare
tehnică mai important, folosind graficele de sarcină determinate și puterile instalate
în sectoarele respective . În acest fel, se pot identifica anumite situații locale anor –
male, pentru care pot fi propuse soluții de îmbunătățire în cadrul auditu lui.
Factorul de formă al curbei de sarcină kf ca raportul dintre puterea medie
pătratică Pmedp și putere a medie din aceeași perioadă :
medmedp
fPP
k
(6.6)
Având în vedere expresia generală de calcu l a puterii medii pătratice
144 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
n
iinnmedp
ttP tPtPP
12
22
2 12
1
(6.7)
precum și faptul că pentru determina rea, prin măsurători, a graficelor de sarcină
intervalele de timp sunt egale între ele, adică: t1 = t2= … = tn= T/n (fig. 6.5), în care
T este intervalul de timp (de obicei 24 ore) pentru care se traseaz ă graficul de
sarcină, precum și de expresia (6 .2) a puterii medii, expresia factorului de formă
devin e
zian
iai
fWW n
k
/12
(6.8)
Pentru graficele de sarcină frecvent întâlnite la întreprinderile industriale
factorul de formă are valori de 1 1,1.
Factorul de nesimultaneitate k s se poate determina pentru două sau mai
multe recepto are care funcționează simultan și exprimă raportu l dintre puterea
maximă a graficului de sarcină rezultant , al tuturor recepto arelor în funcțiune și
suma puteril or maxi me corespunzătoare graficului de sarcină a fiecărui receptor
sau grupe de recepto are, după caz. Factorul ks pune în evidență poziția reciprocă a
puterilor maxime ale graficelor de sar cină componente și se calculează din
expresia:
n
ii comprez
s
PPk
1_ max,max,
(6.9)
în care Pmax, rez este pute rea maximă a graficului rezultant, Pmax, comp _i puterea ma –
ximă a fiecărui grafic de sarcină component .
Valorile factorului de nesimultaneitate sunt subunitare și se găsesc , în gen e-
ral, în domeniul 0,7 0,95, depi nzând de gradul de aplatizare al graficelor de sar –
cină componente și de dispersia puterilor maxime ale acestora în perioada pentru
care s -au trasat aceste grafice. Pentru stabilirea factorilor de ne simul taneitate este
suficient să se cunoască numai valo rile puterilor maxime, nu și mo mentele preluării
lor din rețea, așa c um rezultă și din expresia (6 .9).
Valorile factorilor de nesimultaneitate oferă informații în legătură cu gradul
de încărcare a diferitelor instalații de distribuție din întreprindere, precum și pentru
dimensionarea unor linii în situații de proiectare. Ca exemplu, în cazul unui audit,
pentru o schemă similară celei din fig ura 6 .4 se pot determina factorii de
nesimultaneitate pentru nodurile reprezentate de tablourile intermediare de
distribuție (T ID), urmărindu -se încărcările pe liniile de alimentare de tip (2,3, .. k),
de la tabloul general de distribuție (TGD), precum și pentru nodul TGD,
determinând încărcarea pe raco rdul de la furnizor (linia 1) . În acest ultim caz
expresia (6 .9) dev ine:
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 145
k
iiTGDs
PPk
2max,)1 max(
) (
.
(6.10)
Durata de utilizare a puterii maxime Tmax reprezint ă intervalul de timp în
care utilizatorii dintr -o întreprindere ar prelua din rețea o putere constantă și egală
cu Pmax consumând aceeași energie ( Wa/zi) ca și în cazul funcțion ării pe graficul real
de sarcină :
max/maxPWTzia. (6.11)
În fig ura 6.5. este reprezentată valoarea acesteia pentru curba de sarcină con –
siderată. Se menționează că Tmax este o mărime caracteristică pentru între prinderi și
depinde mult de numărul de schimburi de lucru :
pentru întrepr inderi care lucrează într -un schimb Tmax 2500 ore/an ;
pentru întreprinderi care lucrează în două schimburi Tmax= 4000 4500
ore/an ;
pentru întreprinderi care în lucrează trei schimb uri Tmax= 5500 6500
ore/an ;
pentru întreprinderi care lucrează în flux continuu Tmax= 6500 7000
ore/an .
Cunoașterea duratei de utilizare a puterii maxime este necesară pentru calcu –
lul pierderilor de energie electrică.
Factorul de utilizar e a puterii instalate ku reprezintă un indicator important
pentru toate întreprinderile industriale, fiind determinat de raportul:
imeduPPk, (6.12)
Ca și factorul de cerere kc, factorul de utilizare indică gradul de încărcare a
recepto arelor. Diferența constă în faptul că, în timp ce factorul kc reduce
examinarea la un interval de timp scurt din perioada de funcționare, respectiv la
durata puterii maxime, factorul ku exprimă gradul de încărcare a recepto arelor
pentru toată durata aleasă de funcționare . Ținând seama de forma graficelor de
sarcină, practic totdeauna kc > ku.
Factorul de utiliza re ku se poate determina pentru diferite durate de funcțio –
nare, respectiv: o oră, un schimb ( în general, pentru schimbul cel mai încărcat ), o
zi, o s ăptămână, un an.
Deoarece puterea medie se determină din relația :
famedTWP, (6.13)
în care Tf este durata de funcționare pentru care se determină factorul ku; Wa –
energia activă consumată în perioada respectivă, rezultă , pentru factoru l ku expresia:
fiauTPWk, (6.14)
146 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Expresia (6 .14) arată că pe ntru determinarea factorului de utilizare a puterii
instalate , pentru o anumită perioadă Tf , nu este nec esar să se cunoască forma
graficului de sarcină corespunzătoar , ci numai energia activă consumată, indicată
de contor. Este necesar ca în întreprinderile existente, cu ocazia întocmirii audi –
turilor, să se determine factorul de utilizare a puterii instalate pentru cât mai multe
perioade de funcționare, în scopul monitorizării î ncărcării utilajelor instalate și a
performanțelor acestora.
Factorul de putere λ (egal cu cos φ în cazul mărimilor sinusoid ale), a cărei
valoare indică pon derea componentei active în raport cu puter ea aparentă absorbită
Prezența unui mare număr de rece ptoare cu caracteristică neliniară și, deci, a
unui regim deformant important , determină reducerea factorul ui de putere λ , prin
reducerea suplimentară a ponderii puterii active în puterea aparentă absorbită.
Factorul de putere λ și factorul de putere pentr u armonica fundamentală cos 1 sunt
determinate (și indicate ) separat de apar atele modern e de măsurare constatându -se
că, în general [6.4] :
1 cos . (6.15)
Determinarea factorului de putere are un rol important pentru stabilirea pier-
derilor de putere activă în toate elementele componente (linii, stații, posturi etc.)
ale sistemului electroenergetic și pentru elaborarea măsurilor de compensare a
puterii reactive .
În analiza de audit, determinarea valorii factorului de putere este necesar ă
pentru calculul pierderilor de putere activă din instalațiile electrice de distribuție
din inci ntele întreprinderilor auditate și stabilirea de măsuri pentru reducer ea lor.
De remarcat faptul că, în orice întreprindere, caracterizată de regimri
sinusoida le, folosirea exclusivă a tipului centralizat de compensare, prin instalarea
bateriei cu condensatoare (B) numai la tabloul gen eral de distribuție (TGD) (fig.
6.6), asigură realizarea factorului de putere neutral în punctul (1) și în amonte,
adică pentru r ețeaua de distribuție exterioară întreprinderii , dar are efect nul asupra
factorul ui de putere în aval de TGD, respectiv pentru toate instalațiile din incinta
întreprinderii rămânând cel natural. Un exemplu sumar de calcul arată consec ințele
negative importante ale acestui tip de compensare asupra nivelului pierderilor de
putere activă în instalațiile proprii. Astfel, se poate demonstra că în regim
sinusoidal pierderile într -o linie variază în funcție de variația factorului de putere,
considerând constantă componenta activă a puterii , după expresia:
neutralnatural
neutralnatural
PP
1212
coscos
. (6.16)
în care: ΔPnatural sunt pierderile pentru factorul de putere natural; ΔPneutral pierde –
rile pentru factorul de putere neutral; cosφ1neutral factorul de putere neutral în
regim sinusoidal; cosφ1natural factorul de putere natural în regim sinusoidal.
Dacă se consideră valoarea factorului de putere n eutral pentru punctul (1)
(fig. 6 .6) egal cu 0,95 și pentru cel natural o valoare optimistă de 0,7, raportu l
pierderilor de put ere activă, conform expresiei (6 .16) este 1,84. Adică pierderile de
putere în instalațiile proprii sunt , în cazul compensării centralizate , cu 84% mai
mari decât în cazul compensării ideale, total descentralizate.
Desigur că nu se po ate realiza descentrali zarea ideală, dar există multe
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 147
posibilități de descentra lizare par țială, l a tablou rile intermediare de distri buție
(TID). Aceste măsuri pot fi propuse în cadrul auditului, determinând o reduce re cu
peste 60% a pierderilor de puter e activă î n rețeaua internă a întreprinderii .
De mențion at că fiecare auditor poate face, la orice între prindere care are
compensare centralizată, calcule de tipul exemplului dat, dacă se fac două măsu ră-
tori pentru energiile activă și reactivă consuma te într -o zi, indicate de contoare , sau
pentru a lte perioade , în nodul (1) (fig. 6 .6) în următoa rele două situații:
o primă măsurătoare cu bateria B cuplată, pentru determinare fa ctorului de
putere mediu în acest caz ;
o a doua măsurătoare, tot în pun ctul (1), dar
cu bateria B decuplată pentru determinarea factorului
de putere mediu natural, existent în toate instalațiile
de distribuție din întreprindere.
Determinarea indicatorilor graficelor de
sarcină, pentru un număr cât mai mare de intervale de
timp, și analiza lor atentă, în deosebi pentru variațiile
mari și frecvente, poate pune în evidență cauze de
natură tehnică și /sau de management, care trebuie
corectate prin măsurile care se propun în cadrul
audit ului.
6.3 Gospodărire a consumului de energi e activă
în întreprinderi
Analiza problemelor legate de energia activă are o pondere importantă în
realizarea auditului energetic, având în vedere faptul că asigurarea continuă a
acesteia implică importante cheltuieli . În ace st fel, aspectul esenț ial care trebuie
urmărit , cu deosebită atenție , în cadrul auditul ui electroenergetic, privește eficien ța
utilizării energie i electrice , pentru a produce cât mai mult, cu consum de energie
electrică (activă) cât mai mic.
Auditorul trebuie să depună efortur i importante , pe tot parcursul auditului , în
scopul identificării tuturor posibilităților de reducere a consumului de energie
electrică, în toate activitățile, importante sau mai puțin importante, prin examinarea
aprofundată și specifică a tuturor probleme lor din incinta întreprinderii.
Variațiile temporare, uneori aleatoare ale cantității de energie consumate,
indicate de contoare, însoțite în multe cazuri și de variații mai lente sau mai rapide
ale graficelor de sarcină constituie unele semnale în legătu ră și cu anumite modifi –
cări în desfășurarea normală a activităților la consumatori, dar acesta nu constituie,
în majoritatea cazurilor și semnale privind scopul principal urmărit și anume efi-
ciența. Desigur că valorile consumului de energie activă înregi strate de contoare
constituie mărimi de bază, indispensabile pentru examinarea și determinarea efi –
cienței. Dar mai sunt nec esare și alte informații legate de performanțele mana ge-
mentului administrativ și tehnic, de interesul direct, de profesionalismu l și respon –
sabilitatea manifestate în urmărirea și monitorizarea permanentă a tuturor activi –
tăților din întreprindere și nu în ultimul rând de nivelul tehnic și de perfor manțele 1
2 3 k
k+1 n TGD
Fig. 6 .6 Compensarea
centralizată a puterii recative. TID B
148 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
întregii dotări tehnico -materiale.
Toți acești factori contribuie la rea lizarea nivelului de eficiență, în fiec are
întreprindere, concretizată prin cantit atea și calitatea produselor și/sau a serviciilor,
în funcț ie de specificul întreprinderii. Un rol imp ortant îl are energia electrică, con –
sumată pentru obținerea fiecărui pr odus finit, exprimat ă fizic sau în mărimi echi va-
lente , reprezentând astfel consumul specific [6.5] . De fapt, l ocul în care se
evaluează nivelul de eficiență realizat în fiecare întreprindere este piața, acolo unde
acțio nează competitivitatea și concuren ța.
Prețurile solicitate de f iecare producător reflectă performanțele proprii
realizate în toate sectoarele de activitate, în mod deosebit, la utilizarea energiei
electrice. Eficienț a electroenergetică este prioritară față de celelalte tipuri de
eficiență, datorită faptului că, prin realizarea și îmbunătățirea permanentă a acesteia
se îmbunătățe ște, în mai mare măsură, și eficiența în cadrul altor tipuri de activități.
Pentru a stabili stadiul eficienței electroenergetice în activitatea între prin-
derii, în primul rând a celei existente în perioada elaborării auditului electro ener-
getic, este necesar un volum mare de informații tehnico -economice, pentru care
auditorul va trebui să colaboreze cu conducerea tehnico -administrativă, pentru
obținerea datelor. In formațiile necesare se referă , în primul rând, la urmă toarele
probleme:
energia electrică activă consumată, înregistrată de contoare;
volumul producției realizate;
cheltuielile totale ale întreprinderii;
cheltuielile reprezentate de cos tul energiei electrice consumate.
Aceste date nu constituie cerințe deosebite, deoarece în cazul unui mana –
gement competent și responsabil, acestea ar trebui să fie urmărite și monitorizate
zilnic și înregistrate, pentru evaluarea permanentă a funcționări i, în compe tiția de
pe piață.
Energia electrică activă , care prezintă i nteres pentru evaluarea eficienț ei,
reprezintă energia primită de la furnizor, măsurată de către contorul sau eventual
contoarele care o înregistrează și este plătită, conform contrac tului încheiat cu
furnizorul de energie electrică , care ia în considerație specificul graficului de
sarcină al consumatorului.
În cadrul auditului nu trebuie să se omită analizarea prevederilor contractului
de furn izare a energiei electrice, deoarece aces tea influențează valoarea cheltuie li-
lor financiare ale întreprinderii . Perioadele de timp, pentru care este necesar să se
urmărească consumul de energie electrică activă, pentru evaluarea și monitorizarea
eficienței electroenergetice într -o întreprinder e, sunt stabilite de comun acord cu
beneficiarul lucrării. Perioada cea mai indicată este o zi ( 24 ore ), pentru fiecare
dintre zilele de lucru. În mod normal, un interval total de o săptămână poate fi
suficient pentru obținerea unor concluzii. Pe baza aces tora se va putea indica un
prim set de măsuri necesare îmbunătățirii eficienței energetice și se pot stabili
indicatori tehnico -economici, urmăriți și analizați zilnic.
Modul de variație a graficelor de sarcină, în diferite zile de lucru, poate oferi
informații importante privind utilizarea energiei electrice. Astfel, pot fi analizate
intervalele din graficele de sarcină corespunzătoare diferitelor schimburi de pro –
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 149
ducție, determin ându -se indicatorii de eficiență pe fiecare schimb ; se obțin conclu –
zii im portante privind eficiența proceselor de producție, în diferite intervale de
timp.
În figura 6 .7, sunt prezentate comparativ grafice de sarcină săptămânale,
obținute cu valori medii ale puterii pe o zi, total întreprindere (fig. 6 .7 a)) și pentru
schimbur ile I IV (fig. 6 .7 b)), grafic de sarcină pe o lună, realizat cu puterile
medii pentru o săptămână, total întreprindere (fig. fig. 6 .7 c)) și variația puterii
medii pe întreprindere, pe durata unui an, realizat ă cu puteri medii lunare (fig. 6 .7 d)).
P[kW]
(MW)
L M M J V S D zile
a) P[kW]
(MW)
L M M J V S D L M M J V S D zile
b) Întreprindere Schimbul I II III Schimbul IV
P[kW]
(MW)
I II III IV săptămâna I F M A M I I A S O N D luna
c) d) Întreprindere P[kW]
(MW) Întreprindere
Fig. 6 .7 Grafice de sarcină ale întreprinderii, utilizate în procesul de auditare.
Deoarece contoarele actuale de energie electrică memorează graficele de
sarcină pe intervale mari de timp, analiza acestora, pentru perioada auditării, dar și
pentru perioadele anterioare poate fi deosebit de utilă. De exemplu , pot fi analizate
consumurile în săptămâni caracteristice (prima din lună sau ultima), lunar și anual.
Valorile pe ultimii 2 5 ani pot oferi informații privind schimbări (modernizări)
ale echipamentelor energotehnologice sau ale proceselor de producți e. Graficele de
sarcină, de fo rma celor prezentate în figura 6 .7, permit extragerea unor importante
concluzii privind eforturile legate de creșterea eficienței energetice în întreprindere
și variația consumurilor specifice csp .
Informațiile privind volum ul producției realizate , trebuie să se refere strict
la perioadele de timp pentru care se analizează consumurile de energie electrică .
Acestea trebuie să corespundă producției realizată în ziua , în schimbul, în săptă –
mâna , în luna sau în anul, analizate . Producția se va exprima, în funcție de specifi –
cul activității întreprinderii, așa cum este urmărită și contabilizată normal, res –
pectiv, în unități fizice: număr de produse, tone, litri (hectolitri), v aloric (lei, euro,
dolari) etc. Nu vor fi luate în cons iderare, în tr-o primă etapă, produsele rebutate și
stocurile supranormative, a căror existență înrăutățește indicatorii de eficiență.
Astfel, prin raportarea cantității de energie electrică consumată la producția reali –
zată și valorificată , rezultă c onsumu l specific pentru unitate a de produs, care
150 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
constituie un indica tor important al eficienței. Produsele rebutate, stocurile
supranormative și nevalorificate vor fi ana lizate în mod separat, având în vedere
faptul că pentru limitarea acestora în fiecare înt reprindere există programe
specifice.
O altă categorie de informații se referă la cheltuielile totale ale întreprinderii
referitoare , de asemenea , la perioada de timp pentru care s -a determinat consumul
de energie electrică . Se precizează că nu vor fi cons iderate sumele care reprezintă
investiția, ci numai cotele de amortizare a acestora, care sunt cuprinse în chel –
tuielile anuale totale.
Cheltuielile datorită energiei electrice , consumată în perioadele de timp con –
siderate se pot determina din facturile lunare de plată și se raportează la perioadele
de timp respective. În analiza costurilor specifice se iau în considerație numai
cheltu ielile datorate energiei active. Eventualele penalizări datorate consumului
supli mentar de energie reactivă, în cazul c ompensării insuficiente, sub valoarea
facto rului de putere stabilit în contractul de furnizarea, sunt analizate și puse în evi –
dență separat , pentru a stabili măsurile necesare eliminării acestora.
6.4 Indicatorii privind eficiența electroenergetică
în întreprinderi
Pentru stabilirea indicatorilor care pun în evidență eficiența electroenergetică
într-o întreprindere, se folosesc informațiile obținute pe parcursul auditului electro –
energetic . Importanța lor în evaluarea nivelului eficienței este diferită și depinde de
specificul activității fiecărei unități productive. Cel mai important indicator, care
reflectă direct eficiența electroenergetică , se determină prin calcu larea raportului,
pentru diferite perioade de timp, între consumul total de energie activă și numărul
total de produse realizate și vândute și reprezintă consumul speci fic, pe unitate de
produs [6.6, 6.7] . Acesta constituie o mărime de referință în prețul produselor care
ajung pe piață și se calculează din relația
produs unitatekWh ,
totaltotala
spnWc
, (6.17)
în care csp este consumul specific (pentru o unitate fizică sau convențională) de
energie electrică activă; Wa,total energia electrică totală primită de întreprindere de
la furnizor pentru o anumită perioadă de timp; ntotal număru l total de produse
valorificate, dintre cele realizate în perioada de timp, pentru care se consideră
energia consumată.
Valoarea acestui indicator, care treb uie să fie cât mai mică și cu o tendință
descendentă , depinde, în mare măsură de performanțele echipamentelor energo –
tehno logice, precum și de competența și responsabilit atea managementului
administra tiv și tehnic al întreprinderii. Astfel, cu utilaje vechi având performanțe
depășite și cu personal de slabă calitate, nu poate fi realizată performanț ă.
În cadrul auditului , pentru determinarea diferitelor valori ale consumului
specific de energie electrică, auditorul va trebui să colaboreze cu beneficiarul
pentru a obține informațiile necesare și reale, privind cele două mărimi, respectiv
consumul tot al de energie electrică al întreprinderii și numărul produselor vândute,
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 151
stocate și rebutate, pentru diferite perioade de timp. Ca exemplu de analiză și
identificare a unei valori maxime de eficiență electroenergetică, considerând
ultimul an întreg de acti vitate imediat anterior celui în care se face auditul, se
sugerează următorul scenariu :
raportând cantitatea de energie electrică activă consumată în anul
respectiv , la volumul producției vândute în acel an se determină consumul specific
mediu anual de energie electrică; csp,med, an, pentru anul resp ectiv;
procedând similar, pentru fiecare din lunile anului se determină consumu –
rile specifice medi i lunare corespunzătoare;
selectând luna cu valoarea cea mai mică a consumului specific mediu lunar
se rap ortează consumurile de energie activă corespunzătoare fiecărei zile din
această lună, la volumul produselor valorificate zilnic, obținându -se consumurile
specifice medii zilnice. Cea mai mică valoare a consumului specific mediu zilnic
reprezintă eficiența maximă .
Având în vedere faptul că, de multe ori primul audit are o importanță deose –
bită pentru beneficiar, oferind posibilitatea adâncirii preocupărilor ace stuia în do –
meniu, în figura 6 .8 se prezintă un exemplu de analiză.
csp
100
A an I F M A M I I A S O N D an
a) b) csp
100
95 x1
x2
csp
100
95
92 x3
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 zile
c)
Fig. 6 .8 Variația consumului specific de energie electrică în întreprindere. csp mediu pe an;
csp mediu pe lună;
csp mediu pe zi, minim.
În figura 6 .8 a) se notează anul precedent cu A, iar punctul x1 reprezintă
valoarea anuală medie a consumului specific de energie activă, deter minat numai
cu produsele valorificate dintre cele realizate în anul A (calculat cu expresia (6.17);
această valoare se consideră egală cu 100.
În figura 6 .8 b) sunt reprezentate cele 12 luni ale anului A și pentru fiecare
se calculează , cu datele corespunzătoare și cu ajutorul expresiei 6 .17, valorile medii
lunare ale consumului specific. În acest grafic se observă că cea mai mică valoare a
consumului specific mediu ( x2) s-a realizat în luna 8 (august) apreciat ca
reprezentând 95 , față de 100, cea anuală. În cea de -a treia etapă a calculului,
reprezentată în fig ura 6 .8 c) se calculează , pentru fiecare zi a lunii aug ust, utilizând
datele zilnice corespunzătoare privind consumul de energie și produsele valori –
ficate, cu ajutorul expresiei (6 .17), consumurile specifice medii pentru fiecare zi.
Observând dispersia acestora, se constată că valoarea cea mai mică ( x3) s-a realizat
152 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
în ziua de 17 august , având valoarea 92 față de cea anuală (100). Aceasta este
valoarea cea mai mică din anul A (precedent) și reprezintă cea mai bună eficiență a
consumului de energie electrică, realizat în acest an.
Atenția auditorului trebuie s ă se concentreze asupra situației de funcționare
din această zi , analizându -se condițiile în care s -a realiz at consumul specific minim
(cu 8 unități față de cel mediu anual). Dacă utilajele ener gotehnologice au fost
aceleași, rezultă că reducerea cu 8 punc te se datorează unei activități mai bune
manageriale, tehnice și administrative. Dacă din examinare se confirmă aportul
pozitiv al factorilor respectivi, se poate trage concluzia că s -ar putea propune
realizarea, într -un număr cât mai mare de zile din an, a condițiilor respective, care
ar putea reduce consumul de energie electrică pe întreprindere, realizând același
număr de produse vandabile, cu până la 8 procente.
În analiza efectuată t rebuie avute în vedere și produsele realizate și
nevândute (rebuturi și stocuri supranormative) a căror reducere cantitativă se
consideră că poate contribui cu 1 -3 puncte la îmbunătățirea eficienței electro –
energetice.
Exemplul prezentat arată că s-ar putea obține o reducere maximă a
consumului de energie electrică cu până la 10%, la care se poate adăuga aportul
reducerii pierderilor în instalații, prin aplicarea măsurilor rezultate din auditare .
Un procent mai mare de reducere a consumului specific s -ar putea obține
prin modernizarea echipamentelor energotehnologice și int roducerea unor tehnolo –
gii noi, mai performante, în procesele de producție. Astfel de analize , adaptate
specificul ui fiecărei întreprinderi, este necesar să fie făcute în cadrul lucrăril or de
audit pentru îmbunătățirea permanentă, a eficie nței electroenerg etice prin reducerea
consumurilor specifice de energie electrică . Observațiile legate de analiza efectuată
trebu ie să fie cuprinse în concluziile auditului.
Analiza efectuată, pe baza scenariului propus, în special monitorizarea
zilnică, cu obținerea valo rilor de tipul x3 sunt de mare utilitate pentru beneficiar.
Acestea pot avea o influență pozitivă pentru eforturile legate de reducerea costu –
rilor pentru fiecare produs și creșterea competitivității acestuia pe piață.
În general, v alorile de tipul x2 (fig. 6.8 b)) și x1 (fig. 6.8 a)) se determină
ulterior și reflectă evoluția performanțelor întreprinderii .
Creșterea eficienț ei electroenergetice , respectiv reducerea consumului spe –
cific de energie electrică poate avea o influență pozitivă și asupra altor i ndicatori
tehnico -economici din activitatea întreprinderii. Printre aceștia se pot menționa:
îmbunătățirea calității produselor, creșterea productivității muncii, economisirea
materiei prime folosită în întreprindere, a condițiilor de mentenanță, a manage men-
tului administrativ și tehnico -economic, creșterea profitului, reducerea rebuturilor,
a stocurilor etc. Desigur că se asigură, astfel. îmbunătățirea competiti vității în
raport cu întreprinderile din aceeași ramură industrială, a șanselor de a face fa ță
concurenței și în final a consolidării poziției pe piață a produselor realizate .
Toate consecințele pozitive se concretizează prin reducerea , practic , a tuturor
componentelor cheltuielilor anuale și , în final , a cheltuielilor anuale totale. Dacă
prin m onitorizarea funcționării, practic zilnice sau pe perioade de timp cât mai
scurte (săptămână, lună) se constată reducerea treptată și permanentă a consumu –
rilor specifice de energie electrică, respectiv de îmbunătățire a eficienței electro –
Gospodărirea consumului de putere și energie activă în întreprinderi 153
energetice și a cheltuielilor totale ale întreprinderii, se poate considera că scopul
auditul ului energetic a fost realizat .
În ultima parte a acestui capitol este necesar să se pună în evidență încă două
aspecte . Acestea urmăresc să ilustreze efectele pozitive și negati ve ale eficienței,
respectiv i neficienței fiecărui consumator, având în vedere că performanțele
fiecăruia dintre consum atori se însumează, întâi la nivelul ramurii in dustriale sau al
domeniului economic, căruia îi aparține (casnic, servicii, transpor turi etc.) și apoi la
nivel național.
Primul aspect se referă la evaluarea eficienț ei energetic e, la nivelul consuma –
torului, cu ajutorul indicatorului intensitatea electroenergetică IEEN . Acesta
permite corelarea producției economice cu consumul de energie e lectrică activă. La
nivelul economiei naționale, acest indicator se exprimă prin energie electrică
utilizată pentru obținerea unei unități din produsul intern brut (PIB), evaluată, pe
plan internațional, ca 1000 $ [6.6]
[anual]PIB Valoarea[anual] consumata electrica EnergieEENI (6.18)
Dacă în expresia (6 .18) valoarea de la numărător se referă la un anumi t
sector al economiei naționale, iar la numitor este indicată producția realizată în acel
sector, rezultă întensitatea electro energe tică corespunzătoare .
Al doilea aspect se referă la ur mărirea evoluției a două mărimi importante
din punctul de vedere al eficienței energetice:
consumul anual de energie electrică;
produsul intern brut.
Analiza prezentată în figura 6 .9 pune în e vidență trei situații posibile privind
evoluția acestor mărimi. Se consideră ca valoare de referință mărimi le înregistrate
la sfârșitul anului ( n 1). Segmentul o -a repre –
zintă evoluția consumului de energie electrică
pentru anul ( n) , segmentul o -b evo luția PIB în
același an, iar segmentul o -c cores punde unei
situații staționare.
Examinarea comparat ivă a celor trei
scenarii pune în evidență următoarele aspecte:
în cazul (1) creșterea procentuală a
consumului de energie elec trică este mai mare
decât cea a PIB, ceea ce reflectă o eficiență
redusă a util izării energiei electrice în anul
respectiv;
în cazul (2) creșterea procentua lă a
consumului de energie elec trică este mai mică
decât cea a PIB, ceea ce reflectă o eficiență
electroenergetică aceptabilă;
în cazul (3) se observă faptul că s -a realizat o creștere a PIB cu un consum
de energie electrică mai mică decât în anul precedent, ceea ce pune în evidență o
eficiență ridicată, cu reducerea consumurilor specifice.
În cadrul auditului electroenergetic se va urmări evoluția eficienței o a
b
c
o b
a
c (1)
(2)
o b
a c
(3)
anul n 1 anul n anul n +1
Fig. 6 .9 Trei variante de evoluție a PIB
și a consumului de energie e lectrică.
154 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
energetice și s e vor propune măsuri astfel încât creșterea producției realizate să fie
mai mare decât creșterea consumului de energie electrică.
6.5 Concluzii
Eficiența energetică definește un proces de evaluare a necesarului de energie
electrică pentru realizarea un ui produs sau unui serviciu și a metodelor pentru
reducerea acestuia, fără a afecta calitatea produsului sau serviciului.
Un indicator larg utilizat pentru evaluarea modului în care este utilizată
energia electrică în fiecare țară este intensitatea energi ei electrice, definită ca
energia electrică (kWh) utilizată pentru obținerea unei unități monetare. Deși
depinde mult și de tipul activităților desfășurate, acest indicator oferă informații
privind eficiența în utilizarea energiei electrice.
Bibliografie
[6.1] *** Report on Tariff Structure Issues . System Tariff Issues Working Group , Eurelectric Ref :
2000 -220-0002 ,
February 2000 .
[6.2] *** Metering, Load Profiles and Settlement in Deregulated Markets , Eurelectric Ref : 2000 –
220-0004, March 2000 .
[6.3] Golovanov N., Postolache P., Toader C., Eficiența și calitatea energiei electrice , Editura AGIR,
București, 2007.
[6.4] *** IEEE Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantities Under
Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced, or Unbalance d Conditions , IEEE Std 1459 -20
[6.5] *** Directiva 2006/32/CE a P arlam entului European și a Consiliului din 5 aprilie 2006
referitoare la eficiența energetică in utilizarile finale și la serviciile energetice.
[6.6] *** Legea energiei electrice , 578/2006
[6.7] *** Strategia energetică a României pentru perioada 2007 -2020 , MO 781/2007
7
GESTIONAREA ȘI COMPENSAREA
ENERGIEI REACTIVE LA
CONSUMATORI I INDUSTRIALI
7.1 Aspecte generale
Puterea și energia reactivă constituie mărimi de bază, prezente în toate
instalaț iile electroenergetice de tensiune alternativ ă, datorită naturii și spe cificului
acestora, deși nu produc direct efecte utile (lumină, căldur ă, lucru mecanic etc.).
Realizarea e fecte lor utile nu este posibilă, de cele mai multe ori, fără consum de
energie reactiv ă, având în vedere procesele de magnetiz are, care au loc în miez urile
din fier ale motoarelor și transformatoarelor electrice . De asemenea, fluxurile de
scăpări ale liniilor electrice și ale bobinelor determină un consum de energie
reactivă. Rezistoarele, utilizate ca receptoare de energie electrică , consum ă numai
putere activă, dar transferul aceste ia prin instalațiile din amonte determină și
pierder i de putere și energie reactive .
Se poate afirma că, în general, în sistemele electroenergetice actuale, gospo –
dărirea puterii și energiei active, au loc numai în prezența și cu consum de putere și
energi e reactivă. De aici rezultă și preocuparea ca, problemele corespun zătoare
producerii și gospodăririi puterii și energiei reactive să fie examinate și rezolvate
simultan cu cele privind puterea și energia activă, în condiți i de eficiență cât mai
ridicată, ținând seama de specificul fiecăreia. Trebuie să fie remarcată în același
timp și mărimea care exprimă corelarea celor două categorii de puteri și energii și
anume factorul de putere , ca mărime principală de orientare în analizarea proble –
melor respective.
Ca un aspect specific gestionării puterii și energiei reactive în instalațiile
electroenergetice, se consideră necesar, să se remarce deosebirea esențială între
procesul producerii puterii și energiei active, care are l oc, în principal, în centralele
electrice, amplasate în sistemul energetic și cel al producerii puterii și energiei
reactive. Aceasta, deoarece producerea energiei active necesită consum de energie
primară, ceea ce nu este cazul pentru energia reactivă, d ecât numai pentru acope –
rirea unor pierderi de energie activă , reduse ca mărime.
Astfel, se impune principiul și chiar obligativitatea producerii puterii și ener –
giei reactive, care depășesc cantitățile minime, necesar a fi produse de către gene –
ratoarele electrice din centrale, cât mai descentraliz at și chiar cât mai aproape de
instalațiile unde se consumă. Acest principiu de bază este fundamentat și regle –
156 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
mentat datorită avan tajelor tehnico -economice pe care l e prezintă descen tralizarea
surselor pentru producerea puterii și energiei reactive în sistemele electro ener-
getice, în primul rând prin reducerea pierder ilor de putere și energie active . Aceste
cerințe sunt cunoscute și aplicate prin adoptarea măsurilor de com pensare a puterii
reactive.
Necesit atea controlului circulației puterii reactive apare , practic , în fiecare
întreprindere și pentru rezolvare, în cazul regimurilor sinusoidale, soluția adoptată ,
constă în utilizarea bateriilor c u condensatoare . Acestea se instalează , de obicei , la
barele de joasă tensiune ale posturilor de transformare, de la care se alimentează
consumatorii din toată sau o parte din întreprindere. Scopul urmărit, cu prioritate ,
este realizarea factorului de putere mediu, cel puțin la valoarea neutrală (impusă
prin contractu l de furnizare a energiei electrice) , în punctul de măsurare a consu –
mului de energie activă și reactivă al instalațiilor electrice din aval, evitându -se si-
tuațiile de suprac ompensare. În general, se realizează valori pentru factorul de pu-
tere mediu, cu care se primește energia electrică de l a furnizor, în banda 0,93 0,97.
În multe întreprinderi se folosesc și instalații de automatizare pentru treptele
bateriilor cu condensatoare, în scopul menținerii cât mai constante a valorii
factorului de putere . Aceasta este situația de funcționare de durată, întâlnită practic
în multe întreprinderi industriale, cu ocazia efectuării lucrărilor de audit . Se poate
afirma că această soluție contribuie , la gospodărire rațională a puterii și energiei
reactive, la niv elul cerințelor sistemului energetic, constituind și o problemă
prioritară a sectorului de utiliza re a energiei electrice.
Analizarea acestu i aspect se face, în general, la nivelul întreprinderi lor,
deoarece receptoarele de energie electrică din cadrul ace stora și, în mod deosebit
motoare le asincrone în funcțiune, într -o gamă foarte largă de puteri nominale, în
unele cazuri datorită supradimensionărilor, precum și funcționării lor c u încărcare
redusă, au cea mai mare ponder e în consumul general de putere re activă, ajungând
la 60% 70%.
Transformatoarele din sistemul electro energetic preiau circa 20% din puterea
reactivă , iar restul consumului revine celorlalte instalații.
Soluția de montare a bateriei de condensatoare în posturile de transformare și
cunoscută sub denumirea de compensare centralizată, este avantajoasă numai
pentru instalațiile din amonte, exterioare întreprinderii, respectiv pentru instalațiile
de distribuție, transport și producere a energiei electrice. Folosind acest tip de
compensare, avantajul reprezentat de reducerea pierderilor de putere și energie
activă și reactivă, nu apare și pentru instalațiile din întreprindere. Din acest punct
de vedere instalațiile din cadrul întreprinderii nu beneficiază de avantajul produ –
cerii locale a pu terii reactive.
Ținând însă seama de importanța contribuției măsurilor de compensare a
puterii reactive și la reducerea pierderilor în instalațiile de distribuție din interiorul
întreprinderilor este indicat ca, în lucrările de audit, să se examineze și
posibilitățile de descentralizare a bateriilor în instalațiile proprii, adică de folosire
cu prioritate a tipurilor mai economice de compensare, respectiv, cel individual sau
pe grupe de recep toare.
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 157
Este necesar să se remarce faptul, de importanță deosebită pentru gestiona –
rea puterii reactive la consumatori și în sistemul electro energetic, că apariția noilor
tipuri de receptoare , cu caracteristici electrice nelineare, influențează în mod ho –
tărâtor gestionarea puterii reactive. Prezența regimului deformant , în foarte multe
cazuri, determină revizuirea practic totală, a modului de compensare folosit până în
prezent, prin instalarea exclusivă a bateriilor cu condensatoare. Acest fapt este de –
terminat de influența reciprocă a celor două aspecte , com pensarea p uterii reacti ve
și fenomenul deformant , necesitând aplicarea unei măsuri unice, respectiv a filtre –
lor care, includ și bateri ile cu condensatoare existen te.
Având în vedere comple xitatea celor două probleme și mai ales necesitatea
și urge nța rezolvării î n ansamblu a fe nomenelor, se vor examina, în con tinuare,
cele mai importante și specifice aspecte teoretice și tehnico -economice, care ar
putea fi folosite la întocmirea lucrărilor de audit. În toate cazurile trebu ie analizate ,
împreună, cele două proble me, având în vedere faptul că practic toate recep toarele
moderne de energie elec trică au caracteristică neliniară.
7.2 Aspecte teoretice și tehnice
Se consideră necesar ca, în scopul înțelegerii fenomenelor în ansamblul lor,
a problemelor privind, atât g ospodărirea puterii reactive, cât și aspectelor specifice
receptoarelor neliniare , să se facă o analiză separată privind elementele teoretice și
tehnice legată de compensarea puterii reactive, în primul rând pentru regimul
sinusoidal. În continuare, se exa minează elementele teoretice și tehnice, specifice
apariției regimului deformant și complexității suprapunerii acestuia peste problema
clasică a compensării puterii reactive, .
7.2.1 Regimul sinusoidal
Pentru c ompensar ea puterii reactive , în mod deosebit, în rețelele electrice din
întreprinderile industriale , utilizarea bateriilo r cu condensatoare reprezintă o soluție
cunoscută și oportună din p unct de vedere tehnico -economic [7.1] . Această soluție
a fost posibilă, deoarece cea mai mare parte dintre recept oarele de energie electrică
existente la consumatori, aveau caracteristici electrice l iniare și deci la aplicarea
unei tensiuni cu variație sinusoidală, curentul electric absorbit era sinusoidal
(nedeformat). În mod identic, bateria de condensatoare determ ina un curent electric
sinusoidal. Ca exemp lu, în figurile 7.1 și 7 .2 se consideră un nod din rețeaua
electrică, în care nu este montată baterie de condensatoare.
Nodul consumator A (fig. 7 .1) este alimentat prin linia (a) din sistemul
electroenergetic, ia r spre consumator pleacă linia (b). Bilanțul puterilor în nodul A
poate fi scris sub forma
.;
c c s sc s
jQ P jQ PS S
(7.1)
Deoarece în nodul A nu se face compensarea puterii reactive rezultă
c sQ Q . (7.2)
158 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În relațiile (7.1) și (7 .2) înd icele „ s" se referă la mărimi specifice sistemului
electroenergetic, iar indicele „ c" se referă la mărimile corespunzătoare consuma –
torului.
În fig ura 7 .2 este prezentată diagrama fazorială pentru nodul (A ), din care se
poate determina expresia factorulu i de putere natural nec , fără compensare, în
regim sinusoidal, tensiunea tensiunea aplicată UA = U1 având numai armonică
fundamentală.
În aceste condiții :
2 2 2 2, , cos cos
c cc
rc acacnecc necs nec
Q PP
I II
. (7.3)
Deoarece factorul de putere natural, practic în toate întreprinde rile, este mai
mic decât cel neutral ( impus în contractul de furnizare și pentru care nu se plătesc
penalizări), este necesar să se îmbunătățeas că factorul de putere natural , prin
compensarea puterii reactive. Aceasta se realizează prin utilizarea unei bat erii cu
condensatoare B, care se montează la barele nodului A, în paralel cu consumatorul
C (fig. 7.3).
(a)
S
C Ps = Pc Qs = Qc
(b) Pc Qc U A=U1
Fig. 7 .1 Nod consumator. Fig. 7 .2 Diagrama fazorială la un
nod consumator fără compensare. Is = Ic
Ic (A)
s,nec = c,nec U A=U1 Ias = Iac
Irs = Irc
Is = Ic Is = Ias+ jIrs ;
Ic = Ics+ jIcs .
Putere a reactivă QB generată de bateria cu condensatoare este transmisă în
nodul (A). Ea este preluată integral de consumato rul local c și reprezintă numai o
parte din puterea reactivă totală Qc solicitată de consumator . Cealaltă parte a puterii
reactive Qs,comp , neacoperită de bateria cu condensatoare B, este furnizată consu –
matorului, di n sistemul energetic și reprezint ă diferența :
B c comps Q Q Q , . (7.4)
Prin montarea bateriei B în nodul ( A) se reduce putere a reactivă, care este
furnizată din sistem, dar nu se modifică cu nimic circulația de puteri active și
reactive în instalațiile din incinta consumatorului c. Se confirmă astfel că , în orice
nod în care se montează o baterie cu condensatoare, efectul de reducere a puterii
reactive se constată numai pentru instalațiile din amonte de nodul respectiv și nu
influențează, în nici un fel instalațiile din aval .
Cone ctarea bateriei cu condensatoare B determină apariția de pierderi
suplimentare de putere activă
BP în condensatoare, dar care sunt foarte reduse.
Diagrama fazorială în nodul ( A), la care este conectată bateria cu con densa-
toare, este redată în figura 7 .4. Se constată că, datorită apariției curentului IB, furni –
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 159
zat de baterie și care este în opoziție de fază cu componenta reactivă a curen tului
electric al consumatorului, apare o nouă valoare, m ai mică, a componentei reactive
care vin e din sistem , corespunzător relației ( 7.4) a puterilor reactive
B necrc comprs I I I , , . (7.5)
(a)
s
c Ps,comp Qs,comp = Qc QB
(b) Pc Qc U A=U1
Fig. 7 .3 Nod consumator Fig. 7 .4 Diagrama fazorială la
cu baterie de condensatoare. nodul consumator din fig. 7 .3. Is
Ic (A)
PB QB
B s,comp U A=U1 IB
IB
Ic Is,comp c,nec Irs,comp
Din diagrama fazorială se pune în evidență reducerea unghiului de defazaj
de la valoarea φc,nec la valoarea φs,comp și în consecin ță creșterea factorul ui de putere
în nodul A . Noua valoare a factorului de putere care, în principiu, este mai mare
decât cea neutrală, se determină din relația :
comps
B rc asas
B c sscomps
I I II
Q Q PP
,2 2 2 2, cos
. (7.6)
Deoarece valoarea neutrală, conform contractului de furnizare , la barele de
joasă tensiune ale unui post de transformare, de la care se alimentează o întreprin –
dere poate fi de 0,92 0,93, bateria cu condensatoare de cal culează astfel încât să
se realizeze această valoare. Pentru a urmări variația puterii reactiv e a
consumatorului pe durata de funcționare, bateriile actuale sunt prevăzute cu 6
12 trepte, conectate automat, astfel încât să asigure valoarea seta tă a factorului d e
putere. Este necesar să se verifice, că nu apar regimuri de supracompensare, care,
în general, trebuie evitate, deoarece reduc efectul compensării, producând și alte
dezavantaje.
7.2.2 Regimul nesinusoidal (deformant)
Structura receptoarelor existente în întreprinderi cuprinde , din în ce mai
mult, sisteme de comandă și control utilizâ nd semiconductoare de putere, cu ca-
racteristic i electrice neliniare și determinând , astfel , apariția fenomenului deformant.
Deformarea curbelor de curent electric și de tensiune, precum și nivelul
componentelor armonice , se pune în evidență prin măsură ri pe diferi tele circuite
conectate la barele consumatorului și pe circuitele de alimentare .
Prezența fenomen ului deformant determină apariția de curenți electrici
armonici cu frecvență până la 2500 Hz (rang armonic 50), însoțiți de o serie de
dificultăți în funcționarea instalațiilor electrice. P rintre consecințele fenomenului ,
se menționează influența negativă asupra compensării puterii reactive, prin folo si-
160 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
rea bateriilor cu condensatoare. Deoarece fenomenul deformant, prin prezența sa,
nu constituie o situație de excepție, ci este practic întâlnit în toate întreprinderile,
pentru care se efectuează lucrări de audit, este necesar să se cunoască , în primul
rând, aspectele teoretice legate de generarea și propagarea curbelor distorsionate în
sistemul indu strial.
7.2.2.1 Receptoare liniare și neliniare , fără compensare
Ca exemplu, se consideră o întreprindere la care, pe lângă receptoarele cu
caracteristică liniară se instalează și receptoare cu caracteri stică neliniară. Se
consideră că întreprinderea nu are baterie cu condensatoare. Schema electrică de
principiu , corespunzătoare nodului ( A), la care este conectată întreprinderea este
indicată în figurile 7 .5. și 7.6.
(a)
I1(a) ik(a)
U(A),def (A)
I1(b) ik(b) I1(c) ik(c)
(b) (c)
receptoare receptoare
neliniare liniare
Fig. 7 .5 Schema electrică de
principiu a nodului consumator A, cu
receptoare liniare și neliniare. (a)
ik(a)
U(A),def (A)
ik(b) ik(c)
(b)
receptoare receptoare
neliniare liniare
Fig. 7 .6 Schema electrică
echivalentă a nodului consumator A,
pentru armonice. Zk(a)
Zk,ned
(c)
În nodul (A) sunt racordate trei linii : linia ( a), care alim entează din sistemul
electroenergetic toate receptoarele din nod, linia ( b), care alimentează receptoarele
neliniare din întreprindere și linia ( c), care alimentează receptoarele liniare . Pe
schema din figura 7 .5 sunt indicați curenții electrici I1(a) reprezentând componenta
fundamentală a curentului electric din sistem și care se împarte aliment ând cele
două categorii de receptoare , curentul electric I1(b) pentru receptoarele neliniare și
I1(c) pentru receptoarele liniare , corespunz ând puterilor active și reactive, solicitate ,
în mod natural, de cele două tipuri de receptoare .
Pe circuitul ( b) este indicat curen tul electric
n
kbki
2)( , care includ e întreg
spectrul de armonice generat de receptoarele neliniare (k este rangul armonic ), și
care ci rculă spre nodul ( A).
De mențion at că structura curenților armonici, respectiv rangul și valorile
armonicelor , nu depind e de caracteristicile electrice ale circuitelor racordate la
același sisteme de bare, ci, practic , numai de caracteristicile electrice ale receptoa –
relor neliniare alimentate prin circuitul respectiv.
Spectru l de armonice , care intră în nodul ( A) se repartizează spre sistemul
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 161
electroenergetic, respectiv
n
kaki
2)( și spre receptoarele liniare din întreprindere,
respectiv
n
kcki
2)( (fig. 7.5).
Repartizarea armonicelor de curent electric pe cele două circuite, se face
corespunzător cu valorile impedanțelor armonice, respectiv Zk(a) pentru sistem și
Zk,ned , pentru receptoarele liniare. Valorile impedanțelor armo nice sunt diferite, în
funcție de frecvența fiecărei armonice. Schema echivalentă corespunzătoare , pentru
armonice, este reprezentată în fig ura 7.6.
După cum se constată din fig ura 7.5, primul efect al prezenței receptoarelor
neliniare , într-o schemă fără baterii cu condensatoare, constă în suprapunerea
armo nicelor de curent electric din fiecare circuit peste curbele fundamentale ale
curenților electrici , care circulă prin circuitele respective și conduce la creșterea
valorilor reale efective , deci la încă rcarea suplimentară a circuitelor și implicit la
creșterea pierderilor.
Pentru calculul valorii efective a curentului deformat, în oricare din circui –
tele ( a), (b) sau ( c) se poate folosi relația de definiție a acesteia . De exemplu, pentru
circuitul ( b) care alimentează receptoarele neliniare rezultă :
n
kbk b defb I I I
22 2
1
. (7.7)
În mod identic, p entru circuitul ( a) care alimentează din sistem consumator ul
cu receptoare liniare și neliniare , valoarea efectivă a curentului deformat este:
n
kak a defa I I I
22 2
1
. (7.8)
Termenul
n
kakI
22
)( reprezintă reziduul deformant al curbei de curent
electric .
Datorită prezenței armonicelor de curent electric în circuitele (a) și (c) ,
precum și a impedanțelor armonice Zk(a) și Zk(c) apar și căderi de te nsiune,
corespunzătoare fiecărei armonice , astfel încât valoarea efectivă a curbei de
tensiune deformată , în nodul (A) este:
n
kk A defA U U U
22 2
1
. (7.9)
în care
kU este căderea de tensiune corespunzătoare armonicei k de curent
electric pe unul din cele două circuitele racordate la nodul ( A). De exemplu pe
impedanța armonică Zk(a) (fig. 7.6) a circuitului spre sistemul energetic.
O altă consecință a apariției regimului deformant, constă în reducerea valorii
factorului de putere dator ită apariției unei noi componente de putere, respectiv
162 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
puterea deformantă ( D).
Astfel, factorului de putere, care în regim sinusoidal se determină cu expre –
sia (7.3), în regim nesinusoi dal, se calculează cu expresia:
2 2 2D Q PP
. (7.10)
în ca re P, Q și D sunt puterile activă, reactivă și respectiv deformantă, corespunză –
toare punctului în care se fac e măsur area.
Gradul de reducere a factorului de putere, depinde de valoarea puterii defor –
mante sau alt fel spus, de numărul de armonice și de amplitudinea lor.
Un indicator important al regimului deformant, căruia i se acordă atenție
deosebită, atât pentru curent electric , cât și pentru tensiune este factorul de
distorsiune , determinat din relația [7.1]
lei fundamenta a efectiv ă Valoarea100 deformant Reziduul100
122
%
IIn
kk
I
. (7.11)
Pentru a r educe într -o măsură cât mai mare efectele negative ale regimului
deformant, reglementările actuale limitează valoarea acestuia în nodul de alimen-
tare din sistemul electroenergetic având în vedere faptul că receptoarele de ener gie
electrică de la consumato ri au un aport foarte mare la apariția și intensificarea
fenomenului deformant.
Ca și în cazul compensării puterii reactive în regim sinusoidal, sunt necesare
măsuri de ameliorare a situației și sub acest aspect. Se menționează că datorită
repartizării cu renților, practic în toate circuitele rețelelor din nodurile în care se
injectează armonice de curent electric și care au numai consecințe negative,
regimul deformant reprezintă un fenomen de poluare internă a rețelelor respective
și care trebuie limitat. Măsura pentru limitare constă în instalarea de filtre de
armonice.
7.2.2.2 Regimul deformant în preze nța bateriilor cu condensatoare
Regimul deformant are o influență negativă la rezolvarea problemelor legate
de gesti unea puterii reactive în întreprinder e. Condensatoarele folosit e pentru com –
pensarea puterii reactive, în regim sinusoidal pot să determine amplifi carea regimu –
lui deformant . De asemenea, bateriile cu condensatoare pot fi și „victimele " acestei
situații deoarece , prin prezența tensiunii defo rmate la borne, apar suprasolicitări ter –
mice care pot conduce la deteriora rea, chiar incendi erea și explozia condensatoa relor.
Pentru examinarea aspectelor practice care pot să apară, se consideră schema
electrică de principiu din figura 7 .7. Nodul elec tric (A) reprezentat în această
schemă este, în princ ipiu, asemănător cu cel din figura 7.5, în care se pune în
evidență circulația curenților fundamentali și a armonicelor, în prezența bateriei cu
condensatoare B, instalată în vederea compensării puterii reactive pe fundamentală .
În schema din figura 7 .7 este indicată bateria cu condensatoa re, dar nu mai
sunt reprezentate și receptoarele liniare , care au același rol în desfășurarea
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 163
fenomenului deformant , ca și în schema fără baterie. Se menționează însă, c ă
aportul lor, în general pozitiv în tot procesul, este foarte redus în ceea ce privește
efectul asupra bateriei cu condensatoare și poate fi neglijat, pentru simplificarea
examinării.
Particularitatea se referă la bateria cu condensatoare, care, în primu l rând,
prin aplicarea tensiunii de frecvență fundamentală (50 Hz) produce, conform
specificului și caracteristicilor ei, curentul electric I1B , care circulă spre barele ( A),
pentru compensarea puterii reactive, pentru care a fost dimensionată. În al doil ea
rând, bateriei i se aplică și armonice de tensiune, care apar în curba de tensiune
defAU
, datorită ci rculației armonice lor de curent electric ika în circuitele
exterioare (datorită impedanțelor armonice Zka ale sistemului energetic) . Pentru
aceste componente, bateria se comportă diferit, în funcție de frecvența fiecărei
armonice de tensiune aplicată. Aspectul cel mai important îl constituie comportarea
bateriei B, ca circuit capacitiv, conectat în paralel cu sistemul energetic la barel e
(A), unde sunt transmiși curenți i armonici ik (de către receptoarele neliniare din
circuitul (b) fig. 7.7).
Este de remarcat faptul că săgeata care indică sensul circulației armonicelor
de curent ikB prin baterie, poate fi atât de la bare spre bater ie, cât și de la baterie
spre bare (regim inductiv, respectiv regim capacitiv) , aceasta depinzând de
frecvența armonicelor și de parametrii sche mei. Pentru examinarea mai detaliată a
acestui fenomen, se consideră schema echi valentă din fig ura 7.8 corespu nzătoare
schemei electrice de principiu din fig ura 7.7.
(a)
I1(a) ik(a)
U(A),def (A)
I1(b) ik(b) I1B ikB
(b)
receptoare receptoare
neliniare liniare
Fig. 7 .7 Schema electrică de
principiu a nodului consumator A, cu
recepto are neliniare și baterie cu
condensatoare. (a)
ik(a)
U(A),def (A)
ik(b) ikB
(b)
receptoare receptoare
neliniare liniare
Fig. 7 .8 Schema electrică
echivalentă a nodului consumator A,
din fig. 7 .7 (pentru armonice). X(a)=X1a
XB=X1B
(c) (c) B
Pentru simplificare, se consideră numai componentele imaginare ale impe –
danțelor armonice, respectiv pentru sistemul energetic numai reactanțele și pentru
bateria cu co ndensatoare numai susceptanțele armonice. Variația valorilor impe –
danțelor în f uncție de frecvența armonicei, s e consideră ca fiind direct proporțional
de rangul armonicelor. Aceste aproximații se fac ținând seama de complexitatea
reală a fenomenului, ia r rezultatele obținute prin calcule sunt acoperitoare. Pentru
sistemul energetic, la frecvența fundamentalei , impedanța armonică se calculează
164 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
folosind valoarea curentului de scurtcircuit pentru nodul A, iar pentru o armonică
de rang k, se considera valoar ea reactanței direct proporționale cu rangul k al
armonicei
k Xj jXa ka 1 . (7.12)
Pentru bateria cu condensatoare se consideră valoarea susceptanței:
1ω k jC jBB kB . (7.13)
în care k este rangul armonic ; 1 − pulsația corepunzătoar e frecvenței curbei fun –
damentale (1 = 2f ).
Reactanța armonică corespunzătoare circuitulu i bateriei cu condensatoare
rezultă :
kXjkCj
k jCjXB
B BkB
1 11. (7.14)
Valoarea oricărei armonice de curent ( k) prin bateria instalată pentru
compensarea pute rii reactive pe fundamentală , admițând sensul pozitiv al curen –
tului de la bare spre pământ (regim inductiv) , este dat ă de expresia:
kXk Xk XI I
Baak kB111
. (7.15)
Prima remarcă și cea mai importantă este că numitorul acestei expresii
constă din difere nța a doi termeni care, în condițiile variației rangului ar monicelor,
poate deveni și zero. P entru un anumit rang armonic valoarea curentului prin
baterie, teoretic, poate fi infinită, realizând un circuit rezonant serie. R angul
armonic krez pentru care ap ar condiții de rezonantă îndeplinește condiția :
011
rezBrezakXk X. (7.16)
Rezultă
aBrezXXk
11
. (7.17)
Cele două reactanțe din relația (7.17), corespunzătoare frecvenței fundamen –
tale (50 Hz) se pot determina , pe baza datelor specifi ce instalației analizate în
cadrul auditului :
pentru numărătorul fracției, rea ctanța corespunzătoare bateriei :
;1
11
BBCX
;12
1B A B C U Q
;2
11
BABQUX
(7.18)
pentru numitorul fracției :
;1 sc aX X (7.19)
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 165
;2
1
scAscSUX
.2
11
scAaSUX
În relațiile (7.18) și (7 .19) s -a notat cu QB puterea reactivă a bateriei cu
condensatoare (definită pentru armonica fundamentală) și cu Ssc puterea de
scurtcircuit (determinată pe baza curentului electric de scurtcircuit) în nodul A.
Pe baza expresiilor (7.18) și (7.19), relația (7 .17) devine
Bsc
rezQSk
. (7.20)
Apariția fenomenului de rezonanță, în condițiile existenței receptoarelor
neliniare într-o întreprindere, poate determina deterior area/distru gerea bateriei cu
condensatoare instalată pentru compensarea puterii reactive pe fundamentală ,
datorită unei armonice de curent electric cu frecvența corespunzătoare rangului de
rezonanță . Condiția pentru ca acest incident să apară este ca armon ica de rang krez
să existe în spectrul de armonice generat de receptoarele neliniare. Ace astă situație
se poate constata din analiza armonică a curbei de curent electric , obținută prin
măsurările care trebuie efectuate pe circuitele racordate la sistemul d e bare de la
care sunt alimentate receptoarele întreprinderii .
De mențion at că, în realitate, amplitudinea armonicei de curent electric la
rezonanță , este foarte mare, putând distruge bateria de condensatoare, dar nu este
infinită, fiind limitată de rezis tența electrică a circuitului, corespunzătoare rangului
krez care, în calculele efectuate, a fost neglijată. Datorită efectului pelicular rezis ten-
ța electrică a circuitului crește odată cu creșterea frecvenței.
Cu o ex actitate suficientă, expresia (7 .20) poate fi folosită și sub forma
practică :
B scntrezQuSk
. (7.21)
în care Snt este puterea nominală a transformatorului (fig. 7.9) din postul de trans –
formare la barele căruia este racordată bateria B; usc tensiunea de scurt circuit a
transformato rului.
În expres ia (7 .21) a fost înlocuită puterea de scurtcircuit cu expresia Snt/usc
care oferă o aproxima ție suficient de bună, pentru rețelele de joasă tensiune , unde
sunt instalate cele mai multe dintre bateriile cu condensatoare, adoptându -se
ipotez a simplificatoare că puterea sistemului energetic pe partea de 20 kV ( sau
medie tensiune) este foarte mare în raport cu puterea nominală a transformatorului
MT/JT .
Ca exemplu, se con sideră schema din fig ura 7 .9 în care Snt = 1MVA; usc =
6% și QnB = 0,4 MVAr.
Deci rangul frecven ței de rezonanță:
166 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
45,64,006,01
B scntrezQuSk
adică frez = 6,45 · 50 = 322,74 Hz , respectiv cuprins ă
între armonic ele de rang 6 și 7.
După determinarea și cunoașterea acestei mărimi
caracteristice, în situația existenței r egimului defor –
mant , care este hotărâtor pentru menținerea bateriei sau
adoptarea altor măsuri, este deosebit de important, să se
continue examinarea fenomenului, pentru a determina
comportarea bateriei și pentru alte armonice de curent electric din spectrul injectat
de receptoarele neliniare , care pot avea ranguri mai mari sau mai mici decât cel de
rezonanță. Pentru aceasta se consideră numitorul expresiei ( 7.15) și se stabilește
semnul acestei expresii, pentru două categorii de valori ale rangului k și anume
pentru k1< krez și pentru k2 > krez, semn care determină sensuri le de circulație ale
armonicelor de curent electric prin bateria cu condensatoare (regimul de
funcț ionare) .
Pentru o armonică de rang k1< krez numitorul expresiei (7 .15) devine :
0
111 1 kXk XBa. (7.22)
În acest caz, termenul capacitiv devine mai mare decât cel inductiv, semnul
expresiei ( 7.22) este minus, iar sensul de circulație a armonicelor de curent electric
este spre bară (regim capacitiv) .
Rezultă faptul că pentru armonicele cu rang mai mic decât cel de rezonanță,
caracterist ica electrică dominantă a schem ei este corespunzătoare unei capacități
și astfel bateria debitează armonicele respective, care circulă spre bare, contri –
buind la amplificarea fenomenului deformant .
În cazul în care k2 > krez numitor ul expresiei (7 .15) devine :
0
212 1 kXk XBa. (7.23)
În acest caz, termen ul inductiv este mai mare și semnul expresiei și deci al
numitorului expresiei ( 7.15) este pozitiv. Aceasta arată că circulația armonicelor de
curent electr ic este de la bară spre baterie (regim inductiv) și bateria cu
condensatoare absorbe , parțial curenții electrici armonici. B ateria cu condensatoare
contribuie , însă, într-o măsură redusă la atenuarea regimului deformant , deoarece
aceste armon ici au, în gen eral, valori mici .
Hotărâtor, pentru amplificarea sau atenuarea fenomenului este poziția ran –
gului rezonant krez în spectrul real al armonicelor de curent electric , produse și
injectate de receptoarele neliniare la barele (A). Se precizează că, în raport cu
frecvența fundamentală , comportarea bateriei cu condensatoare, în cazul în care
aceasta nu se deteriorează, corespunde scopului pentru care a fost montată, adică
produce și injectează totdeauna curent ul electric I1B la bare (fig. 7.7), compensând
puter ea reactivă, deoarece frecvența și deci rangul curbei fundamentale este
totdeauna mai mic decât rangul de rezonanță.
Snt = 1 MVA;
usc = 6%
0,4 kV
B QnB =0, 4 MVAr
Fig. 7 .9 Conectarea unei
baterii cu condensatoare la
barele de joasă tensiune.
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 167
7.3 Corelarea acțiunii de compensare a puterii reactive
cu cea de atenuare a regimului deformant
7.3.1 Aspecte teoretice
După cum s -a arătat anterior, u tilizarea bateriilor cu condensatoare, într-un
mediu poluat cu armonice, poate contribui la amplificarea regimului deformant , dar
pot deveni ele însele vulnerabile și , cu mare probabilitate, se pot deteriora.
De asemenea, prezenț a regimului conduce la reducerea calității energiei
electrice în cadrul întreprinderii , dar și a altor consumatori conectați în aceeași
rețea electrică. Măsurile adoptate constau în montarea de filtre , pasive sau active,
care să limiteze prezența regimului deformant până la un nivel admisibil [7.2] .
Filtrele active, urmăresc corectarea formei curbelor dist orsionate de curent
electric și de tensiune și realizarea unui factor de putere setat, dar au dezavantaj ul
unui preț, încă relativ ridicat .
Filtrele pasive, au scheme simple, sunt relativ ieftine în comparație cu cele
active, pot fi realizate mai ușor și montate pentru a obține valori ale indicato rilor
regimului deformant și în deosebi, ale factorilor de distorsiune de curent și de
tensiune, la nivelul ce lor admise prin reglementările în vigoare. Având în vedere
aceste aspecte, în multe cazuri, schema simplă cu bobină și baterie cu condensa –
toare , montate în serie, constituie o soluție eficientă pentru rezolvarea problemelor
legate de regimurile deformante .
Deoarece filtre le pas ive influențează favorabil și problema gestionării puterii
reactive , în nodul în care se instalează, se examinează în continuare, folosind
schema electrică de principiu din fig ura 7.9, aspectele teoretice privind performan –
țele și co mportarea filtrelor pasive, atât pentru atenuarea regimului deformant, cât
și pentru gestionarea puterii reactive. Un filtru pasiv (F), sub forma lui cea mai
simplă, este realizat din bobina ( B) conectată în serie cu bateria cu condensatoare
(C) (fig. 7.10).
Valorile celor două elemente componente se stabilesc în funcție de rangul
armonic ei ki , pentru care se realizează filtrarea, din relația de rezonanță :
011
iCi BkXk X. (7.24)
în care X1B este reactanța bobinei filtrului, corespunzătoare frecv enței fundamentale
(50 Hz ); X1C reactanța ( inversa susceptanței Cb) a bateriei cu condensatoare,
pentru frecvența fundamentală .
Expresia (7 .24) are o formă asemănătoare cu relația (7 .16). Există însă două
diferențe esențiale între cele două scheme și situații, și anume:
În cazul în care bateria cu condensatoare este montată sau este prevăzut să
fie montată, fiind dimensionată pentru compensare, pentru ea rezultă un anumit
rang de rezonanță , care de pinde și de caracteristicile electrice ale nodulu i la care se
racordează, respectiv de puterea de scurt circuit și de puterea nominală a ei. Pentru
filtru (fig. 7.10), parametrii și structura lui se stabilesc alegându -se în prealabil un
anumit rang de rezonanță, cores punzător rangului armonicei, care u rmează să fie
anulată.
168 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Cea de -a doua diferență esențială constă
în faptul că, în cazul rezonanței pentru bateria cu
condensatoare , rangul armonicei de curent
electric care circulă prin baterie, corespunzătoare
rangului de rezonanță, rezultat și nu ales , este
foarte mare, teoretic infinită. În cazul filtrului,
prin alegerea impedanței zero a circuitului
rezonant al acestuia, corespunzătoare rangului de
rezonanță ales se realizează condiția de scurt –
circuit pentru armonica respectivă de curent
electric , care trece integral la pământ , prin
circuitul rezonant realizat, și nu mai circulă în
rețea ua electrică de alimentare .
Deoarece în spectrul de armonice, gene –
rat de receptoarele neliniare, există și alte
armonice , având rang mai mare sau mai mic, decât cel de rezonanță , ales al
circuitului rezonant al filtrului, este necesar să se examineze răspunsul circuitului
față de aceste armonic e.
În acest sens, se consideră două ranguri, respectiv k1< ki și k2> ki. Pe baza
aceluiași raționament ca în cazul bateriei cu condensatoare montată într -un circuit
poluat armonic, rezultă că pentru rangul k1 și deci pentru toate armonicele de curent
electric din spectru , cu rang mai mic decât ki , termenul capacitiv este mai mare și
deci filtrul se comportă ca o capacitate și constituie o sursă pentru armonice le
respective, contribuind deci la amplificarea fenomenului deformant. În acest caz,
sensul săgeții curentului electric ikF (fig. 7.10) este spre barele (A).
Pentru cazul k2 > ki și deci, pentru toate armonicele de curen t electric cu rang
mai mare decât cel ales de rezonanță, pentru care terme nul inductiv este mai mare,
sensul săgeți i curentului electric este spre pă mânt (regim inductiv) . Pentru aceste
armonice, circuitul rezonant al filtrul ui se comportă ca o bobină, ab sorbind parțial
armonicele respective și astfel contribuie la atenuarea suplimentară a fenomenului
deformant.
Cele două moduri de comportare a oricărui circuit rezonant al filtru lui, res-
pectiv, ca sursă sau în calitate de consumator, depind de rangul arm onic al curen –
tului electric în raport cu rangul armonic pentru care este calculat circuitul rezonant
al filtrului.
Din analiza prezentată mai sus rezultă două concluzii importante , dintre care
una privește problema compensării puterii reactive și cealalt ă atenuarea regimului
deformant .
Deoarece compensarea puterii reactive se face pentru frecvența de 50 Hz,
corespunzătoare curbei fundamentale de curent electric , iar această frecvență, în
cazul oricărui circuit rezonant al filtrului , este totdeauna mai m ică decât frecvența
de rezonanță, rezultă că orice circuit rezonant al filtrului pasiv generează putere
reactivă pe frecvența fundamentală. La analiza problemelor legate de compensarea
puterii reactive trebuie să fie luat în conside rație aportul circuitelo r rezon ante ale
filtrului pasiv; (a)
(A)
ik ikF
receptoare circuit rezonant
neliniare al filtrului pasiv
Fig. 7 .10 Schema electrică de
principiu a no dului consumator A,
cu filtru pasiv. C B
F
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 169
Circuitul rezonant de rang i al unui filtru prezintă regim capacitiv pentru
orice armonică de curent electric de rang inferior. Pentru a evita amplificarea
regimului deformant trebuie ca circuitul rezonant al filtrului să fie realizat pentru
armonica, existentă în spectrul curentului electric, de rang imediat superior
armonicei fundamentale. Armonicele de rang superior celui pentru care este
dimensionat circuitul rezonant vor fi parțial limitate de acest circuit sau, dacă este
necesar, sunt realizate circuite rezonante și pentru aceste armonice.
În mod obișnuit, pentru limitarea armonicei de rang 3 sunt utilizate alte
metode (utilizarea transformatoarelor triunghi -stea) astfel că, de cele mai multe ori,
apare necesară dimen sionarea circuitului rezonant pentru armonica de rang 5 [7.3] .
Pentru dimensionarea corectă a filtrului de armonice este necesară cunoaște –
rea, prin măsurători, în detaliu, a spectrul ui armonic al curentului electric absorbit
de consumator.
Eficiența filtr ului propus se face prin compararea valorii măsurate a facto –
rului de distorsiune de curent electric cu factorul de distorsiune calculat, prin
montarea filtrului.
7.3.2 Studiu de caz pentru examinarea regimului deformant
Pentru a concretiz a aspectele teoretice date mai sus, se prezintă, în conti nu-
are, un exemplu de analiză a unor elemente, specifice prezenței regimului defor mant.
Se consideră, în figura 7.11, schema electrică de principiu a unui nod (A), la
barele căruia sunt conectate receptoare n eliniare, prin plecarea ( b), iar alimentarea
din sistem se face prin linia ( a). Se mai consideră că ace ste receptoare necesită o
anumită componentă reactivă de curent I1r pe frecvența de 50 Hz, care vine integral
prin linia ( a) din sistem, corespunzător fa ctorului de putere natural. În același timp
se admite un spectru de armonice de curent electric , injectate în nodul (A) prin linia
(b) și de aici mai departe în rețea prin linia ( a) conținând , în cazul general,
rangurile: 3, 5, 7, 9 și 11.
Acest spectru de armonice se cunoaște , în general, p rin analiza armonică a
curbei curent ului electric distorsionat, determinată pe oricare dintre liniile ( a) sau
(b). Valoarea efectivă a curbei curentului electric distorsionat se determină cu
expresia:
2
112
92
72
52
32
1 def I I I I I I Ief . (7.25)
Reziduul deformant al curentului electric are următoarea expresie:
2
112
92
72
52
3 I I I I I Irezid . (7.26)
Cu această valoare se calculează factorul de distorsiune al curentului electric
deformat, pentru linia ( a) sau ( b), în condițiile absenței filtrului, folosind expresia:
100 %
1IIIrezid
d
. (7.27)
În mod obișnuit, determinările sunt realizate în punctul ( d) figura 7 .11
care corespunde punctului comun de conectare PCC și în care, conform normelor
internaționale , sunt efectuate de terminări privind calitatea energiei electrice și
pentru care sunt indicate limitele admisibile ale acestor indicatori.
170 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
(a)
I1r ik = i3+i5+i7 + i9+i11
(A)
I1r
(b)
receptoare
neliniare
Fig. 7 .11 Schema electrică de
principiu a nodului consumator A, cu
receptoare neliniare. (a)
ik(a)
(A)
(b)
receptoare
neliniare
Fig. 7 .12 Schema electrică
echivalentă a nod ului consumator A,
din fig. 5.11 (pentru armonice). Xsk(a)= kX1(a)
(d)
ik = i3+i5+i7 +i9+i11 UAdef
ik = i3+i5+i7 +i9+i11
Evaluarea tensiunii deformate UAdef la barele A (fig. 7.12) se poate face prin
două metode:
Utilizarea u nui echipament de înregistrare a curbei deformate a tensiunii,
cu afișarea directă a spectrului armonicelor de tensiune, precum și a factorul de
distorsiune a tensiunii. Valorile obținute se compară cu valorile admise.
Calcularea căderilor de tensiune p entru fiecare armonică a spectrului
admis, datorită fiecărei reactanțe armonice a sistemului. Cu o precizie suficientă, se
poate considera că aceste reactanțe au valori care variază direct proporțional cu
rangul fiecărei armonice . Componentele armonice de tensiune rezultă:
3 1 3 3 3 3 33 3 I X I X U Ua as A ;
5 1 5 5 5 5 53 3 I X I X U Ua as A
;
7 1 7 7 7 7 73 3 I X I X U Ua as A
;
9 1 9 9 9 9 93 3 I X I X U Ua as A
;
11 1 11 11 11 11 113 3 I X I X U Ua as A
, (7.28)
în care Xsk(a)= kX1(a)
Reziduul deformant al curbei de tensiune se determină cu expresia:
2
112
92
72
52
3 A A A A A A rezid U U U U U U . (7.29)
iar factorul de distorsiune pentru curba de tensiune este:
100 %
1
AA rezid
AUU
U
. (7.30)
Valoarea factorului de distorsiune a curbei de tensiune din nodul A (relația
(7.30)) se compară cu valorile admise de reglementările în vig oare pentru a stabili
în ce măsură sunt necesare măsuri pentru limitarea regimului deformant.
În figura 7 .13 se consideră cazul în care apare necesară limitarea regimului
deformant și compensarea puterii reactive. Ca exemplu, se consideră că în nodul A
este conectat un filtru dimensionat pentru armonica de curent electric de rang 3.
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 171
(a)
I1r I1rf iks = i5s+i7s +i9s+i11s
(A)
I1r
(b)
receptoare
neliniare
Fig. 7 .13 Schema electrică de principiu a nodului consumator A,
cu receptoare neliniare și filtru de armonice. (d)
ik = i3+i5+i7 +i9+i11 I1f if (3) = i3+i5f +i7f +i9f +i11f
F(3) Q
Pentru exemplul din figura 7 .13, armonica de rang 3 de curent electric, gene –
rată de receptoarele neliniare se închide prin circuitul de impedanț ă nulă a filtrului
corespunzător și nu se regăsește în curentul electric din linia (a) de alimen tare.
Celelalte componente armonice, care au rangurile mai mari decât cel de rezonanță
al filtrului F(3) , se repartizează pe celelalte două circuite respecti v linia ( a) de
alimentare din sistem și filtrul F(3) care prezin tă, pentru aceste armonice, car acter
inductiv. Reactanțele armonice, atât pentru sistem cât și pentru filtru, sunt
reprezentate în schema echivalentă din fig ura 7.14.
(a)
Iks
U(A),def (A)
IkB
(b)
Fig. 7 .14 Schema electrică echivalentă a
nodului consumator A, în prezența filtrului
pentru armonica de rang 3. Xks= kXsc
(c) X3f = 0;
X5f ; X7f ; X9f ; X11f
Calculul reactanțelor Xkf ale circuitului rezonant pentru armonica de rang trei
de curent electric, pentru o armonică oarecare ki se face pe baza relației generale
iCi B kfkXk X X11. (7.31)
Pentru armonica de rang 3 rezultă evident X3f = 0.
În etapa următoare se determină amplitudinea armonicelor de curent electric
care circulă spre rețeaua electrică de alimentare. Se folosesc expresii de forma:
ks kfkf
k ksX XX
I I
, (7.32)
în care Ik sunt curenții armonici, de rang k, determinați de r eceptoarele neliniare.
172 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Folosind aceste valori ale armonicelor de curent electric, care circulă spre
sistemul energetic, se poate calcula reziduul deformant corespunzător cu expresia:
2
112
92
72
5 s s s s d rezid I I I I I . (7.33)
Valoarea determinată d in relația (7 .33) este mai mică de cât cea calculată din
relația (7 .26) și se dorește să fie în limita admisă de reglementări.
Corelarea între caracteristicile circuitului rezonant, indiferent de rangul
armonicei pentru care a fost calculat și compensarea necesară a put erii reactive, se
realizează prin alegerea corespunzătoare a puterii nominale a bateriei cu conden –
satoare, care intră în componența filtrului, și constituie prima etapă a calculului
acestuia.
Datorită faptului că filtrul se comportă ca o capacitate numa i pe funda men-
tală (50 Hz) și deci debitează putere reactivă numai pe această frecvență, rezultă că
la alegerea puterii nominale a bateriei se va avea în vedere puterea reactivă
necesară pentru compensare .
În cazul realizării filtrului trebuie avute în v edere și următoarele trei aspecte:
Prezența bobinei în serie cu condensatorul din circuitul rezonant face ca
tensiunea la bornele condensatorului să depășeasă tensiunea de la barele A . În mod
obișnuit, condensatoarele utilizate în circuitele rezonante ale filtrelor sunt
dimensionate pentru o tensiune superioară cu 10% față de tensiunea nominală la
bare. De asemenea, condensatoarele utilizate pentru filtrele de armonice sunt
dimensionate termic pentru o valoarea efectivă a curentului electric cu 30% pes te
curentul nominal;
În cazurile practice apare necesară supradimensionarea circuitului de
filtrare pentru eventualitatea (foarte probabilă) a parcurgerii acestuia de către
curenți electrici armonici din rețeaua electrică de alimentare, determinați de
funcționarea unor consumatori perturbatori în aceeași rețea și care nu au luat
măsuri de limitare a regimului deformant generat;
În cazul în care un singur circuit rezonant în cadrul filtrului nu asigură
limitarea factorului de distorsiune la valoarea admi să, pentru a reduce suplimentar
factorul de distorsiune se prev ăd două sau mai multe circuite rezon ante. Ca
exemplu, în figura 7 .15 este prezentat cazul în care se montează un circuit rezonant
pe armonica 3 de curent electric și un circuit rezonant pentru armonica de rang 5
(imediat superior din curba reală a curentului electric). La dimensionarea celor
două circuite rezonante se va lua în considerație și necesarul de putere reactivă.
Acesta va fi determinat prin aportul celor două circuite.
În cazul preze ntat în figura 7 .15, reziduul deformant I'rezid (d) corespunzător
curbei deformate în nodul ( d) nu va mai conține în spectrul său armonicele cu
rangurile 3 și 5, iar celelalte armonice respectiv 7, 9 și 11 vor avea valori mai
reduse decât în cazul unui filtru cu un singur circuit rezonant
2
112
92
7 ' ' ' 's s s d rezid I I I I . (7.34)
În principiu, soluția analizată asigură rezolva rea ambelor probleme, atât cea
privind comp ensarea puterii reactive, cât și cea a reducerii factorului de distorsiune
a curentului electric p ână la nivelul valorilor reglementate.
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 173
(a)
I1rs= I1r I1rf (3+5) iks = i7s +i9s+i11s
(A)
I1r
(b)
receptoare
neliniare
Fig. 7 .15 Schema electrică de principiu a nodului consumator A,
cu receptoare neliniare și două circuite rezonante. (d)
ik = i3+i5+i7 +i9+i11
I3 I5 if (3+5) = i3+i5 +i7f +i9f +i11f
F(3) F(5) Q3 Q5 I1f (3+5)
7.4 Aspecte tehnice și economice privind gospodărirea
puterii reactive în întreprinderile moderne
Problemele privind gospodărirea rațională a puterii reactive în întreprinderi
și monit orizarea aplicării măsurilor necesare trebuie să stea în atenția auditorilor,
atât din punctul de vedere al reducerii pierderilor de energie activă în circuitele
electrice interne , cât și din punctul de vedere al penalizărilor plătite pentru
neîncadrarea î n limitele admise ale factorului de putere.
Utilizarea filtrelor pasive este una dintre soluțiile care pot fi luate în consi de-
rație pentru rezolvarea , atât a problemelor legate de compensarea puterii reactive ,
cât și cele legate de regimul deformant.
Pentru abordarea judicioasă și completă a acestor probleme, în lucrările de
audit, este necesar , în primul rând , să se cunoască situația reală din întreprindere,
cu toate detaliile, sub aspectul structurii, caracteristicilor, modului de funcționare și
ampla sarea în cadrul întreprinderii, a tuturor receptoarelor de energie reactivă,
precum și a surselor existente de compensare. Prezentarea acestor date, este indicat
să se facă individual, pentru receptoarele mai import ante (compresoare,
ventilatoare etc.), sa u pentru grupe de receptoare cu puteri mai reduse și cu activi –
tăți similare în procesele de producție la care participă. Sursele de compensare se
vor indica pe scheme electrice, în toate punctele unde sunt montate și se vor
menționa puterile nominale și a lte caracteristici.
De asemenea, este necesară cunoașterea mărimilor caracteristice privind
circulația puterii reactive , în primul rând cu ajutorul echipamentelor existente în
întreprindere , precum și prin mont area, pentru anumite perioade de timp, a unor
echipamente de măsurare suplimentare, în puncte caracteristice. În acest sens , pot fi
folosite și indicațiile contoare lor numerice actuale care oferă , în punctele
respective , posibilitatea obținerii unei game largi de informații.
În punctele de măsurare a energiei este necesar să se cunoască curbele de
variație zilnică, atât ale puterii reactive pri mită din sistemul energetic, cât și a celor
pentru puterea activă, pentru anumite zile din săptămână, lucrătoare și nelucrătoare,
174 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
în funcție de modul de desfăș urare a proceselor de producție, respectiv, unul, două
sau trei schimburi. Aceste date vor trebui să fie, atât din perioada de întocmire a
auditului, pre cum și din perioade precedente , obținute din documentația privind
evidența consumului de energie electr ică.
Pe baza acestor informații se determină și se urmărește variația corespun ză-
toare a factorului de putere, pentru perioadele respective, în punctele de primire și
contorizare a energiei electrice din sistem. Acestea trebuie să fie cel p uțin egale cu
valoarea înscrisă în contractul de furnizare . Nu este indicată realizarea supra –
compensării din cauza problemelor care pot apărea datorită excedentului de putere
reactivă în in stalațiile sistemului energetic și a penalizărilor în factura de energie
electric ă.
Eficiența maximă a compensării puterii reactive se obține prin compensare ,
cât mai aproape posibil de receptoarele de putere reactivă, asigurând astfel
reducerea pierderilor active la circulația puterii reactive [7.4, 7.5] .
7.5 Exemple de scheme pentr u examinare în cadrul
lucrărilor de audit
Modernizarea întreprinderilor și a proceselor de producție implică apariția de
receptoare de energie electrică cu sisteme de comandă și control utilizând elemente
semiconductoare, ceea ce determină caracteristici neliniare ale receptoarelor și
apariția regimurilor nesinusoidale în rețeaua electrică internă . Condensatoarele din
circuitele de compensare a puterii reactive, existente în întreprindere, pot fi
afectate, până la deterior are. Utilizarea ace stora pentru realizarea filtrelor de
armonice permite rezolvarea problemelor legate de efecte ale regimurilor nesinu –
soidale, dar și rezolvarea problemelor legate de gospodărirea puterii reactive.
7.5.1 Primul exemplu de schemă analizată
Primul tip de schemă electrică de principiu analizată ( fig. 7.16) presupune
existența regimului sinusoidal în care curbele de curent electric și de tensiune sunt
sinusoidale sau distorsiunea lor este în limitele admise de normativele în vigoare.
Se consideră o schemă cu un post de trans formare, echipa t cu un singur
transformator (s chema poate reprezenta și un post cu două transformatoare, în care
fiecare transformator funcționează în mod normal pe secții de joasă tensiune
separate).
În schema din fig ura 7 .16 nu se f ace compen –
sarea puterii reactive și în consecință factorul de putere
este cel natural. O astfel de situație poate fi întâlnită,
numai în întreprinderile la care factorul de putere
natural este practic egal cu cel neutral , stabilit în cadrul
contractului d e furnizare a energiei electrice . În caz
contrar , sunt plătite penalizări, ceea ce se poate sesiza 20/0,4 kV
Fig. 7 .16 Receptoare liniare
conectate la bara de JT. c
a
b1 b2 bn
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 175
de către auditor și din facturile de plată a energiei electrice consumate, în care se
indică separat sumele plătite pentru energia reactivă, consumată sup limentar.
Schema din figura 7 .16 corespunde întreprinderi lor care funcționează cu
factor de putere natural, adică primesc din sistemul energetic integral, atât puterea
și energia activ e, cât și pe cele reactive.
Controlul factorului de putere se face prin măsură tori în punctul de facturare
fie în punctul a (dacă facturarea se face pe partea de joasă tensiune ), unde se mă –
soară consumul receptoarelor din întreprindere, fie în punctul c (dacă facturarea se
face pe partea de medie tensiune ), unde se includ și pierderile de putere și energie
din transformator. Determinările vor cuprinde date pe o durată de câteva zile, până
la o săptămână, incluzând astfel zilele cu specific diferit de consum, iar mărimile
înregistrate orar și ca valori medii zilnice, vor fi puterile active, cele reacti ve și
factorul de putere. Astfel, se obțin curbele de sarcină zilnice ale consu mului și
variația factorului de putere. În același timp trebuie înregistrată și forma curbelor
de curent electric și de tensiune.
Identificarea un ui factor de putere sub valoarea neutrală sau a prezenței regi –
murilor nesinusoidale impune auditorului să propună remedierea situației prin
realizarea unei scheme de forma in dicată în figura 7.17 sau în figura 7 .18.
7.5.2 Al doilea exemplu de schemă
Se face ipoteza unui regim sinusoidal. Pentru îmbunătățirea factorului de
putere este conectată bateria cu condensatoare B , calculată astfel încât să determine
un factor de put ere neutral la bara de alimentare. Necesitatea compen sării puterii
reactive și rezolvarea problemei se pot constata din analiza facturilor de energie
electrică, care includ o componentă privind energia reactivă consumată.
La măsurătorile efectuate în punctele a și c, în prezența bateriei de condensa –
toare , vor fi înregistrate , față de schema din figura 7 .16, valori mai mari ale puterii
și energiei active (datorită pierderilor active în bateria de condensatoare), dar valori
mai mici ale puterii și energiei reactive, cu o valoare constantă dată de prezenț a
bateriei cu condensatoare 20/0,4 kV
Fig. 7 .17 Receptoare liniare cu
compensarea puterii reactive. c
a
b1 b2 bn B 20/0,4 kV
Fig. 7 .18 Receptoare liniare și
neliniare cu filtru de armonice. c
a
b1 b2 bn
F
176 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
B A B C U Q2, (7.35)
în care CB este capacitatea bateriei cu condensatoare , UA valoarea efectivă a
tensiunii la barele de alimentare, QB energia reactivă determinată de bateria cu
condensatoare.
Puterea reactivă măsurată în punctul a rezultă
B nec cons a Q Q Q , , (7.36)
în care Qcons,nec este puterea reactivă necompensată, solicitată de receptoare ,
corespunzător factorului de putere natural; Qa – puterile reactive care vin din
sistemul energetic, corespunzător factorului de putere îm bunătățit, datorită com –
pensării cu bateria B.
Puterea reactivă măsurată în punctul c va avea valoarea
t a c Q Q Q , (7.37)
În relația (7 .37), ΔQt sunt pierderile de putere reactivă în transformatorul
MT/JT.
Eficiența bateriei de condensa toare poate fi pusă în evidență , în mod
pregnant , prin analiza graficelor de sarcină, înregistrate, cu și fără bateria în funcți –
une. În figura 7 .19 sunt indicate graficele de sarcină pentru put erea activă și pentru
puterea r eactivă, în cele două situații . Aceste grafice pot fi determinate atât în
punctul a cât și în punctul c (fig. 7 .16), cu precizarea că dacă unul dintre cele două
puncte este și punct de facturare, este necesar ca factorul de putere să corespundă
clauzelor contractului încheiat cu furniz orul de energie electrică.
P
Q
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 t [ore]
Fig. 7 .19 Graficele de sarcină pentru puterile active P și pentru puterile reactive Q în punctul
a, în prezența bateri ei cu condensatoare (linie continuă ) și în lipsa acesteia (linie punctată). Pa,comp
Qa,comp Qa,necomp Pa,necomp
QB
Identificarea prin măsurători a regimului deformant impune auditorului să
analizeze și să propună, de exemplu, o schemă de forma indicată în figura 7 .18, în
care este conectat un filtru pasiv de armon ice, astfel dimensionat încât să asigure
atât limitarea regimului deformant , cât și compensarea puterii reactive. Măsură –
torile efectuate pe intervale mari de timp, în diferitele puncte ale rețelei interne a
întreprinderii, în lipsa și în prezența filtrulu i de armonice, permite validarea
soluțiilor propuse și stabilirea eficienței acestuia. De menționat faptul că, montarea
centralizată a filtrului de armonice determină creșterea amplitudinii curenților
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 177
armonici în circuitul dintre sursa de producere și filt ru, având în vedere reducerea
impedanței armonice pe acest circuit (circuitele filtrului prezintă impedanță redusă
pentru armonice).
O atenție deosebită , în cadrul măsurătorilor , trebuie acordată determinării
formei curentului elec tric în circuitul bateri ei de condensatoare , în scopul determi –
nării gradul ui de vulnerabilitate a acesteia și analizei necesității la trecerea soluției
cu filtru de armonice pentru rezolvarea simultană a atenuării regimului deformant
și a compensării puterii reactive. Pe baza da telor obținute din măsurători se va
determina factorul de distor siune al curen tului electric și componența spectrală,
valori care vor fi com parate cu limitele impuse
de furnizorul de energie elec trică în contractul
încheiat cu con sumatorul.
O infor mație importantă poate fi obținută
pe baza de măsurător i în punctul neutru N (fig.
7.20), în diferite momente sau perioade diferit e,
cu și fără bateria conectată. Informațiile privind
forma și amplitudinea curentului electric ce
parcurge conductorul neutru care conectează
neutrul transformatorului cu bar a N a sistemului
trifazat de joasă tensiune sunt utile pentru a
evalua regimul de încărcare al acestui conductor.
Curentul electric prin conductorul neutru este determinat pe de o parte de
gradul de dezech ilibru al încărcării fazelor active, atât pentru curenții electrici
fundamentali (50 Hz) , cât și cel al diferitelor armonice de curent electric , precum și
de gradul de î ncărcare al acestuia cu armonice de curent electric de diferite ranguri
(3, 5 etc). În multe cazuri se constată o încărcare inadmisibilă a conduc torului
neutru, cu posibilitatea de deteriorare a acestuia, și creșterea pierderilor.
Montarea filtrelor de armonice permite reducerea substanțială a valorii
efective a curentului electric prin co nductorul neutru.
7.5.3 Al treilea exemplu de schemă analizată
Specificul acestei scheme analizate (fig. 7 .20) constă în faptul că, în între-
prinderea auditată este deja montat un filtru pasiv, de tip serie, pe care proiectantul
instalației electrice , l-a prevăzut și dimensionat cu dublu scop, respectiv, de a
compensa puterea react ivă, și de a reduce nivelul regimului deformant, la valori
admise de legislația în vigoare.
La această schemă se poate ajunge, fie direct, de la punerea în funcțiune a
întreprinderii auditate, fie de la schema din fig ura 7 .16, la care odată cu dezvoltarea
și modernizarea echipamentelor, se montează direct un f iltru, sau de la schema din
figura 7 .17 când , din m ăsurările făcute cu ocazia întocmirii audi tului, rezultă nece – 20/0,4 kV
Fig. 7 .20 Analiza conductorului
neutru al rețelei de joasă tensiune. c
a
b1 b2 bn F N
178 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
sitatea înlocuirii bateriei cu un filtru. Se menționează însă, că în toate cazuri le, ba-
teriile cu condensatoare existente pot și trebuie să fie utilizate, cu adaptările nece –
sare, la realizarea filtrelor.
Prezența filtrului în schema postului de transfo rmare de alimentare a între –
prinderii, nu trebuie să determine pe auditor, să considere, de la început, că acesta
corespunde celor două cerințe menționate, ci este necesar să verifice prin măsură ri,
eficiența funcționării acestui a. Înainte de începerea mă surărilor trebuie să se
cunoască rangul (frecvența) de rezo nanță a circuitelor rezon ante ale filtrului .
Punctele în care se fac măsurătorile sunt :
punctul a pe circuitul de joasă tensiune al transformatorului ( fig. 7.17,
fig. 7.20),
punctul N (fig. 7.20) conductorul neutru între transformator și tabloul
general de alimentare al întreprinderii ,
punctul c pe partea de medie tensiune a transformatorului, dacă este
accesibil,
punc tul F, pe circuitul de conectare a filtrulu i la barele de 0,4 kV (fig. 7 .20).
Durata de efectuare a măsură rilor trebuie să fie de cel puțin o săptămână,
pentru ca datele obținute să se refere la un ciclu de producție și se vor efectua, atât
cu filtrul conectat , cât și cu filtrul deconectat .
Vor fi urmărite următoarel e mărimi:
puterile active și reactive ( în prezența sau în lipsa filtrului );
graficele de sarcină ale acestora; curbele de variație ale factorului de putere
(în prezența și în lipsa filtrului );
forma curenților electrici în cele două cazuri, în punc te semnificative din
circuitul electric al consumatorului;
forma curbei de tensiune, la barele de 0,4 kV.
Din compararea rezultatelor măsură rilor efectuate, în fiecare din punctele
menționate, în cele două situații, respectiv cu filtrul conectat și cu filtrul
deconectat, în principiu, se pot constata următoarele:
a) Pentru punctul a
Puterile și energia active , în situația cu filtru conectat, cuprind atât consumul
tuturor receptoarelor din întreprindere, cât și pierderile suplimentare, datorită
bateriei și bobinei filtrului.
Puterile și energia reactive care, în situația cu filtrul conectat, sunt mai mici,
decât cu filtrul deconectat, reprezintă diferența dintre consumul din întreprindere,
corespunzător factorului de putere natural și aportul de putere și de energie reactive
ale filtrului (al bateriei cu condensatoare) datorită efectului de compensare al
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 179
acestuia. În consecință, factorul de putere în situația cu filtrul conectat, deci cu
compensare, va avea valori egale sau, în general, ma i mari, decât valoarea neutrală,
impusă în contractul de furnizare.
În situația fără filtru, factorul de putere va avea val oarea naturală, de regulă,
mai mică decât cea neutrală. În lipsa filtrului , factorul de putere va fi redus și de
prezența regimului deformant.
Determinările în punctul a vor pune în evidență , în curba curentului electric,
întregul spectru de armonice generat de to ate receptoarele neliniare din incinta
întreprinderii.
b) Pentru punctul c
Deși efectuarea unor măsurări în punctul c este foarte im portantă din punct
de vedere al spectrului și ponderii armonicelor care pătrund în rețeaua electrică
publică , în multe cazuri acest punct nu este accesibil.
În punctul c, fenomenul deformant diferă, în mare măsură, ca spectru și
intensitate, față de punct ul a, datorită impe danței transformatorului pentru difer itele
frecvențe ale armonicelor și, în mod deosebit, datorită conexiuni i triunghi -stea (zig –
zag), cu neutrul legat direct la pământ , a acestuia (fig. 7.20).
Aceste caracteristici a le transformatoarel or de medie/ joasă tensiune ( MT/JT)
au o influență limitativă asupra fenomenului deformant și deci calitatea energiei
electrice în rețeaua electrică publică este mai puțin afectată .
Determinările în punctul c prezintă un interes deosebit în cazul în care
punctul de contorizarea și facturare a energiei electrice este la medie tensiune. În
această situație, dimensionarea circuitului de compensare a puterii reactive trebuie
să ia în considerație prezența transformatorului, care determină reducerea factorului
de putere în punctul c față de punctul a.
c) Pentru punctul F
Măsură torile realizat e la bornele filtrului au rolul de a pune în evidență
modul în care este solicita t și cum se comportă filtrul, faț ă de cerințele privind
compensarea puterii reactive și ate nuarea regimului deformant . Puterea reactivă
transmisă pe frecvența fundamentală la bare, precum și forma curentului electric în
circuitul filtrului arată eficiența acestuia și corespondența cu cerințele din proiect.
Curentul electric în cir cuitul filtrulu i cuprinde componenta de frecvență îndustrială,
componenta cu frecvența pentru care a fost dimensionat circuitul rezonant respectiv
și o pondere redusă a componentelor armonicelor filtrate parțial, de rang superior.
O atenție deosebită se va acorda situaț iilor în care poate să apară supra –
compensare.
180 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
d) Pentru punctele b
Fiecare din punctele respective, este situat pe câte un circuit, prin care se
alimentează grup uri de receptoare liniare sau neliniare, distribuite în toată incinta
întreprinderii audita te.
O primă caracteristică importantă a tuturor mărimilor (puteri, curenți
electrici etc.) măsurate în toate punctele b, este faptul că ele corespund valorilor în
aval (spre consumatori) față de bara de alimentare și filtru și nu variază în funcție
de sit uația deconectat sau nedeconectat a filtrului. Influența acestuia nu se
manifestă în aceste puncte, atât sub aspectul compensării puterii reactive, cât și cel
al atenuării regimului deformant. Cauza o constituie poziția centralizată a filtrului
folosit, ch iar la intrarea fluxului de energie electrică în instalațiile din întreprindere.
În acest fel, nu există nici un avantaj , din punctul de vedere al pierderilor de
energie, pentru toată întreprinderea , iar componentele active, reactive ale puterii și
spectr ele de curenți armonici corespund funcționă rii naturale a tuturor receptoa re-
lor din incintă.
Deoarece , în principiu, toate punctele b 1….b n în care se fac măsură rile
corespund unor circuite trifazate, cu conductor neutru, pentru alimentarea
receptoarelor , prezintă un interes deosebit efectuarea determinărilor simultane , în
fiecare punct b i , pe cele trei faze active și pe conducto arele neutre corespunzăto are.
În acest fel, se vor pune în evidență gradul de încărcare suplimentară a acest or
conducto are, cauzele acestei suprasolicitări și nivelul pierderilor de putere activă.
Rezolvarea parțială a acestei probleme , dator ată prezenței simultane a necesarului
de putere reactivă și a fenomenului deformant , este posibilă prin descentra lizarea
amplasării filtrel or.
Astfel, se pot realiza și mon ta filtre, atât lângă receptoarele individuale mai
importante , cât și pentru grupe mai restrânse de receptoare , care ar descărca , în
mare măsură , rețelele interne de joasă tensiune și , în mod deosebit , conductoarele
neutre , obținându -se o importantă reduce re a pierderile de putere și energie activă
(între 20% și 50% ). În general, descentralizarea filtrelor pasive este evitată, având
în vedere dificultățile în realizarea aceleiași frecvențe de rezonanță la toate filtrele
și posibilitatea suprasolicitării unui anumit filtru. Utilizarea filtrelor active locale
asigură o soluție eficientă pentru corectarea formei curentului elec tric și realizarea
factorului d e putere impus. În acest sens se menționează posibilitatea achiziționă rii
convertoarelor de frecvență pentru reglarea vitezei motoarelor asincrone prevăzute
cu filtre active .
7.6 Stabilirea principalilor parametri electrici ai unui
filtru pasiv, de tip serie, pentru compensare și atenuare
Filtrul pasiv, simplu ca sche mă și cu un cost relativ redus, poate fi eficient ,
în multe situații, pentru reducerea la valori admi sibile a fenomenului deformant și
pentru asigurarea c ompensării puterii reactive . Schema electrică de principiu poate
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 181
cuprinde un singur circuit rezonant s au mai multe circuite rezonante pe armonicele
din spectrul curent ului electric din nodul analizat.
Pentru calculul parametrilor electrici ai celor două elemente componente
ale unui filtru, sunt necesare două tipuri de informații, pentru bateria cu condens a-
toare și pentru bobină. Bateria cu condensatoare trebuie să genereze putere
reactivă, pentru realizarea în punctul d (fig. 7.13) a unui factor de putere, cel puțin
egal cu valoarea impusă , stabilită în contractul de furnizare a energie electrică.
Infor mațiile necesare se obțin din graficele de sarcină zilnică, pentru puterea
activă și reactivă în punctul d, care să fie caracteristice funcționării de durată a
întreprinderii. Aceasta, atât în scopul asigurării factorului de putere impus
(neutral), cât și pentru a evita eventualele perioade de supracompensare, cu toate
dezavantajele lor.
În fig ura 7 .16 se prezintă, ca exemplu, o situație inițial necompensată, dintr –
o întreprindere, corespunzătoare factorului de putere natural, în punctul a. Se con –
sideră, ca exemplu, că factorul de putere natural mediu poate fi de 0,7. Dacă se
instalează o baterie cu condensatoare cu puterea nominală QB , graficul de sarcină
al puterii reactive, absorbită din rețeaua electrică publică, va fi deplasat, în jos, cu
această val oare. Puterea reactivă a bateriei Q1B , generată pe armonica fundamen –
tală, poate fi determinată din expresia
comp nec med BP Q tan tan1 , (7.38)
în care Q1B este puterea bateriei, considerată cu o singură treaptă, necesară com pen-
sării puterii reactive; Pmed – puterea act ivă medie corespunzătoare graficului de
sarcină considerată; tanφnec – tangenta unghiului de defazaj a fundamen talei de
curent electric față de tensiune, în situația necompensată (corespunzător factorului
de putere natural); tanφcomp – tangenta unghiului de defazaj a fundamen talei de
curent electric față de tensiune , în situația compensată (corespunzător factorului de
putere neutral).
Având în vedere relația (7 .35) capacitatea CB1 a bateriei rezultă
12
111
UQCBB, (7.39)
în care U1 este tensiunea (curba fundamentală) între faze (de linie);
f 21
pulsația corespun zătoare sinusoidei fundamentale (semnul indică faptul că la bor –
nele condensatorului din circuitul filtrului tensiunea este mai mare decât t ensiunea
la bare).
Puterea Q1B reprezintă aportul bateriei cu condensatoare, necesar numai
compensării, fără considerarea înfluenței puterii reactive pe fundamentală, datorită
prezenței bobinei, car e intră în componența filtrului. Pentru aceasta este nec esar să
se stabilească rangul de rezonanță al circutului filtrului.
Acest lucru este posibil, întrucât se pot face măsurători în punctul d (fig.
7.11) pentru regimul deformant, din care se obține nivelul acestuia, spectrul de
armonice, rangul și valoarea fiecăreia, inclusiv factorul de distorsiune precum și
alte mărimi. Folosind această a doua categorie de informații, care privesc regimul
deformant se poate stabili, care este armonica semnificativă, imediat următoare
după fundamentală.
182 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Fiind cunoscută fre cvența de rezonantă a circuitului filtrului poate fi
determinat aportul de putere reactivă a ansamblului circuitului Qtot,1B , în prezența
bobinei, iar componenta reactivă a curentului fundamental, I1rf, care circulă prin
circuitul filtru lui și este transm isă la barele de joasă tensiune, se calculează cu
expresia:
ABtotrfUQI
1113, (7.40)
în care U1A este t ensiunea fundamentală la barele (A) (fig. 7.13).
Peste curent ul fundamental I1rf se suprapune cota parte a armonicelor de
curent electric care, dacă rangul de rezonanță este imediat după fundamentală, toate
circulă spre pământ ( caracter inductiv) și reprezintă pentru fiecare rang o cotă parte
din armonicele totale pr oduse de receptoarele neliniare , care se repartizează spre
sistem și spre filtru. Excepție face armonica de curent electric , care corespunde
rangului de rezonanță, fiind reținută integral de filtru și deci nu circulă și spre
sistem.
Armonica de rezonanță, în mod normal, nu trebuie să existe în spectrul de
armonice măsurat în punctul d , în curen tul electric spre sistem. Dacă totuși apare în
spectrul din acest punct, nu reprezintă o cotă parte din armonica de curent electric
generată de receptoarele neliniare locale , ci aportul de la consumatorii deformanți
din alte noduri ale sistemului . Această situație apare, în cazul în care la
consumatorii din zonă nu au fost instalate filtre pentru aceeași armonică de
rezonanță și perturbațiile acestora se închid prin circuitul rezonant al filtrului
consumatorului analizat, care determină condiții d e scurtcircuit pentru armonica
respectivă .
Întrucât ace astă situație se constată numai după montarea filtrului în nodul
(A) și pentru a se evita pericolul unei supraîncărcări periculoase a filtrului cu arm o-
nica de curent de rezonanță, cu aport din noduri le vecine, pe baza măsură torilor
făcute pentru filtre deja montate în alte noduri, se prevede pentru filtrul care se
proiectează, o creștere cu 30% a curentului electric deformat prin filtru, care, se
consideră că nu va fi depășit, întrucât această rez erva de încărcare suplimentară
este suficient de mare. Verificarea se poate face după instalarea filtrului în nodul (A).
În privința valorii tensiunii care se aplică bateriei cu condensatoare, întrucât
aceasta este montată în circuitul filtrului (cu bobină), la bornele acesteia apare o
tensiune mai mare decât cea de la bare (în mod obișnuit circa 1,1U1A , iar la
bornele bobinei rezultă o tensiune de circa 0,1 U1A .
După stabilirea acestor parametrii electrici de bază ai celor două componente
ale unui fil tru, la realizarea propriu -zisă a acestuia, mai intervin, desigur și alte
probleme con structive, de automatizări ș.a. , care vor fi rezolvate de executantul
acestui a.
7. 7 Concluzii
Analiza în detaliu a problemelor de gestiune a puterii și energiei rea ctice este
determinată, în special, de prezența fenomenelor deformante, larg întâlnite, în
Gestionarea și compensarea e nergiei reactive la co nsumatorii industriali 183
prezent, în industria modernă.
Întrucât exist ența și comportarea receptoarelor neliniare , influențează în mod
direct și structural gestionarea și gospodărirea puter ii și energiei reactive, în mod
deosebit la consumatorii industriali, s -au examinat mai multe aspecte, atât din
punct de vedere teoretic, cât și tehnico -economic, pentru a pune în evidență
problemele specifice care apar în cadrul lucrărilor de audit electr oenergetic .
Desigur că, pe parcursul elaborării lucrărilor de audit, vor mai putea să apară și alte
aspecte, care trebuie analizate cu atenție.
Bibliografie
[7.1] *** IEEE Trail – Use Standard Definitions for the Measurement of Electric Power Quantitie s
Under Sinusoidal, Nonsinusoidal, Balanced or Unbalanced Conditions IEEE 1459/2000.
[7.2] El-Samahy I., Bhattacharya K., Cañizares C. A., A Unified Framework for Reactive Power
Management in Deregulated Electricity Markets , PSCE 2006, Atlanta, Rap. 000090 1.
[7.3] Golovanov N., Postolache P., Toader C., Eficiența și calitatea energiei electrice , Editura AGIR,
București, 2007.
[7.4] Li F.ș.a., Assessment of the Economic Benefits from Reactive Power Compensation , PSCE 2006,
Atlanta, Rap. 0001767.
[7.5] *** Voltage Support and Reactive Power , Guide to WECC/NERC Planning Standards I.D:
Prepared by: Reactive Reserve Working Group (RRWG) Under the auspices of Technical
Studies Subcommittee (TSS) , Approved by TSS, March 30, 2006.
8
TEHNOLOGII ELECTRICE
8.1 Aspecte generale
Realizarea unui audit energetic impune să se acorde o atenție deosebită solu –
țiilor de reducere a consumurilor energetice prin creșterea eficienței în utilizarea
energiei. Î n acest sens, analiza tehnolog iilor utilizate în întreprindere și propunerile
privind noi tehnologii, mai eficiente energetic pot avea un impact deosebit asupra
calității auditului efectuat. În cele ce urmează sunt prezentate unele dintre tehno –
logiile electrice, specifice industriei m oderne și care pot deter mina efecte eco –
nomice importante la beneficiarul auditului.
Tehnologiile electrice sunt larg întâlnite în cele mai diverse domenii in dus-
triale: industria metalurgică , la topirea și rafinarea metalelor și la încălzirea
semifa bricatelor; industria chimică, la realizarea reacțiilor chimice, la încălzirea
coloanelor și re cipienților, la producerea și prelucrarea materialelor plastice;
industria con struc toare de ma șini, la matrițare, forjare, uscare, călire, lipire,
sudare; industria extractivă, la re ducerea minereurilor; industria materialelor de
construcții, la topirea și tratamentul sti clei; industria electronică, la producerea
semiconductoarelor; industria lemnului, la us carea lem nului și a îmbinărilor
încleiate; industria alimentară, la uscarea, pre pararea și ste rilizarea produselor etc.
Utilizarea tehnologiilor electrice este caracterizată de avantaje importante
față de tehnologiile clasice de prelucrare [8.1]:
se pot obține temperaturi ridicate; unele procese tehnologice din in dustria
modernă necesită temperaturi de până la 20000 K care pot fi obținute numai în cup –
toarele cu plasmă;
temperatura poate fi reglată precis , existând posibilitatea transferului de
căldură în func ție de neces itățile procesului tehnologic și a unui control permanent
și precis al energiei electrice transformate în căldură,
spațiul de lucru fiind închis, prelucrarea termică se poate realiza și în
atmosferă controlată, cu gaze de protecție sau în vid;
se poa te asigura funcționarea intermitentă, instalația putând fi adusă repede
în stare de funcționare la parametrii nominali;
funcționarea instalațiilor electrotermice se caracterizează prin valori relativ
reduse ale consumurilor specifice de energie;
prin introducerea calculatoarelor de proces există posibilitatea automa ti-
zării com plete a tehnologiilor electrice ;
Audit energetic
2
spațiul ocupat de instalațiile electrice este , în general, redus;
gama de puteri a acestor instalații este foarte largă, de la câteva sut e de
wați, la aparatele de uz casnic și de laborator, la zeci de megawați, în cazul
echipamentelor industriale, iar durata proceselor elec trice este relativ mică .
Tehnologiile electrice prezintă , de asemenea, și o serie de aspecte care
trebuie luate în considerație la evaluarea tehnologiilor concurente :
a) Randamentul energetic global en al tehnologiilor electrice este relativ
redus , fiind puternic influenț at de randamentul CE de producere a energiei electrice
în centralele electrice
CE el enηηη , (8.1)
în care el este randamentul procesului electric.
Analiza relației (8 .1) pune în evidență faptul că randamentul energetic global
al unei tehnologii electrice este , cel mult , egal cu randamentul de producere a
energiei electrice CE (care la centralele termoelectrice electrice actuale , este de
circa 0,4 ). Numai în anumite situații o tehnologie electrică poate fi superioară unei
tehnologii clasice, din punct de ve dere al randamentului energetic . Ca exemplu, în
figura 8.1 [8.2] este prezentat , comparativ , bilanțul energetic al procesului de
încălzire a unei bare din oțel, într -un cuptor cu gaz și al procesului de încălzirea
electric (prin trecerea unui curent electric de mare intensitate prin bară ). În
exemplul din figura 8.1, se constată că randamentul de prelucrare electrică este
superior randamentului de prelucrare pe cale termică, dar este o situație care nu
este întâlnită în mod obișnuit.
Analiza introducerii sau înlocuirii unor procese industriale clasice prin
tehnologii electrice, nu poat e fi redusă numai la dimensiunea ener getică. O pondere
importantă o au reducerea costurilor pentru depoluare, reducerea cheltuielilor
pentru forța de muncă prin creșterea productivității la introducerea automatizărilor
în procesul de producție, creșterea volumului producției, creșterea prețului de
vânzare al pro dusului prin creșterea calității acestuia, reducerea consumului de
materiale. De ase menea, trebuie să fie luate în consi derare îmbunătățirea condițiilor
de muncă și reducerea ni velului de polu are tehnologică.
b) Costul unității de energie electrică este superior costului unității de
energie obținută din gaze. Astfel, pentru costurile actuale ale purtătorilor de
energie, circa 120 €/MWh energie electrică și circa 300 €/1000 m3 gaz metan cu
40000 kJ/m3, rezultă pentru gazul metan un preț de circa 27 €/MWh, inferior
costului pentru energia electrică. Acest aspect prezintă un interes deosebit la ana –
liza economică a soluțiilor.
c) Utilizarea tehnologiilor electrice și, mai ales, procesele de reglare sunt
însoțite de apariția unor importante perturbații electromagnetice în rețeaua electrică
de alimentare. Costul echipamentelor pentru limitarea perturbațiilor electro magne –
tice trebuie, de asemenea, să fie luate în considerare la e valuarea economică a
soluțiilor propuse în cadrul auditului.
8.2 Procese electrotermice
Procesele electrotermice din industrie consumă circa 35% din energia pro –
dusă în centralele el ectrice. În figura 8 .2 sunt prezentate principalele procese de
Tehnologii electrice
3
obținere a căldurii necesară prelucrării la cald, în funcție de frecvența tensiunii de
alimentare utilizată în proces [ 8.3]. Fiecare dintre procesele de încălzire indicate în
figură are un domeniu specific de utilizare.
a) b)
Fig. 8 .1 Bilanțul energetic la încălzirea unei bare:
a) încălzirea în cuptor cu combustibil gazos; b) încălzirea electrică d irectă. Energie
utilă 8,9 Pierderi
prin metal ars
3,3 Pierderi la
distribuția
combustibilului
44,4 Pierderi
prin gaze arse
18,9 Pierderi prin
pereții cuptorului
5,6 Pierderi prin ra –
diație la deschide –
rea cuptorului 3,3
Procese
de oxi –
dare a
metalu –
lui
22,2 100
Energie
utilă 2,6 Pierderi
prin metal ars
65,8 Pierderi la
producerea energiei
electrice
3,4 Pierderi prin
radiație
3,2 Pierderi în
transformatorul de
adaptare și contacte 100
1,3
Procese
de
oxidare
26,3 Energie primară Energie primară
8.2.1 Încălzirea rezistivă
Princi palele procese de încălzire bazate pe d isiparea căldurii în elemente
rezistive sunt indicate în figura 8 .3 [8.4].
8.2.1.1 Încălzirea rezistivă directă
La încălzirea rezistivă directă , materialul supus prelucrării este parcurs de
curent electric, iar c ăldura disipată prin efect Joule asigură temperatura necesară. În
cazul încălzirii indirecte sunt utilizate elemente încălzitoare speciale, parcurse de
curent electric, care transmit energie termică obiectului supus prelucrării prin
radiație, convecție sau conducție.
Într-o primă aproximație, temperatura a obiectului supus încălzirii poate fi
determinată pe baza relației [8.2]
i i Tt
iTt / /
m ax e e1 , (8.2)
în care i este temperatura inițială a procesului de încălzire, Ti constanta de timp,
max temperatura maximă a procesului.
Audit energetic
4
f [MHz]
1018
1017
1016
1015
1014
1013
1012
1011
1010
109
108
107
106
105
104
103
102
101 3108
760 THz
380 THz Încălzire cu radiații
ultraviolete
Radiații luminoase
0,8 THz
0,3 THz Încălzire cu radiații
infraroșii
0,3 GHz
50 MHz Încălzire cu
microunde
3 MHz
1MHz Încălzire dielectrică
cu înaltă frecvență
10 kHz Încălzire prin inducție
de înaltă frecvență
500 Hz
50 Hz Încălzire prin inducție
de medie frecvență
Încălzire prin inducție
de joasă frecvență
Încălzire cu rezistență electrică
Încălzirea cu arc electric
Fig. 8 .2 Domenii de frecvență ale proceselor
electrotermice.
Mărimile max și Ti sunt determinate experimental pentru fiecare proces
analizat.
Tehnologii electrice
5
Instalații de încălzire
cu rezistență electrică
Instalații cu încălzire
directă Instalații cu încălzire
indirectă
Instalații
de încălzire
directă a semi –
fabicatelor Instalații
de încălzire
a lichidelor:
încălzirea
sticlei lichide;
încălzirea
apei.
Instalații
cu radiații
Instalații
cu încălzire
prin convecție
Instalații
de sudare:
prin puncte;
cap la cap;
prin cusă –
tură;
prin relief. Instalații
de producere
a materialelor
la temperaturi
înalte:
grafitare;
carborund.
de tip deschis
(cu radiații
infraroșii).
de tip închis
(cuptoare).
Fig. 8 .3 Instalații de încălzire cu rezistență electrică.
Pentru un anumit obiect și o anumită configurație, creșterea vitezei de încăl –
zire (creșterea productivității) până la temperatura de prelucrare este posibilă ,
practic , numai prin creșterea valorii max , direct proporțională cu puterea disipată
în elementul încălzitor.
Procesul de răcire poate fi descris, într -o primă aproximație , de relația :
) e1( e/
0/r r Tt Tt
d , (8.3)
în care d este temperatura obiectului în momentul începerii procesului de răcire,
0 temperatura mediului ambiant, Tr constanta de timp a procesului de răcire.
Constanta de timp Tr este determinată experiment al pentru fiecare confi gu-
rație în parte.
Creșterea vitezei de răcire (creșterea productivității) poate fi obținută practic
numai prin reducerea constantei de timp Tr , ceea ce rezultă prin răcirea forțată a
obiectului încălzit.
În mod obișnuit, i nstalaț iile pentru încălzirea rezi stivă, cu acțiune directă
(fig. 8 .4) sunt conectate între două faze, ceea ce poate determina importante ne si-
metrii în rețeaua electrică de alimentare . Pentru limitarea nesimetriilor, aceste ins –
talații sunt conectate la reț eaua electrică prin i nterme diul unei scheme de simetri –
zare S. Condensatorul C conectat la bornele transformatorului T , de curent electric
mare , asigură realizarea unui factor de putere unitar practic la bornele acestuia.
Realizarea unor contacte K 1 și K 2 corespunzătoare , între corpul supus
procesării și instalația electrică de alimen tare, are o influență importantă a supra
Audit energetic
6
randamentului proce sului. Utilizarea acestei tehnologii de
încălzire , în cazul prelucrării la cald a unor obiecte în flux
continuu , determină o eficiență ridicată procesului, dar co –
nectă rile și deconectă rile rapide ale instalației pentru înlo –
cuirea piesei încălzite pot să conducă la variații importante
ale tensiunii la barele de alimentare.
În bilanțul energetic al instalațiilo r de încălzire cu
acțiune directă trebuie să se includă și pierderile suplimen tare
care apar în schema de simetrizare , precum și cele dato rate
soluțiilor pentru limitarea variațiilor de tensiune la bare le de
alimentare.
În instalațiile actuale , tensiu nea din secundarul trans –
formatorului are valori de 5 150 V, puterea transfor ma-
torului de curent electric intens poate fi de 0,1 10 MVA,
curentul electric I poate atinge 40 kA, iar factorul de putere
natural poate avea valori de 0,3 0,9.
Pentru cazul frecvent întâlnit al încălzirii semi fabri ca-
telor din oțel, consumul specific de energie electrică este de
200 350 kWht.
Randamentul electric el al instalației se determină din relația:
WWuelη, (8.4)
în care energia activă W absorbită , pe durata procesului de încălzire , din rețeaua
electrică de alimentare se calculează cu relația :
u c rs tr W W W W W W 0 . (8.5)
În relația (8 .5) W0 este energia electrică activă disipată în transformatorul T
(de curent electric intens ), la funcționarea în gol, Wtr pierderile de energie activă
în înfășu rarea transformatorului , la funcționarea în sarcină, Wrs pierderile de
energie activă în rețeaua scurtă (legătura dintre transformatorul de curent mare și
obiectul încălzit), Wc pierderile de en ergie activă în contactele cu semifabricatul
de încălzit, Wu energia activă utilizată pentru încălzirea corpului la temperatura
necesară d .
Într-o primă aproximație , energia Wu poate fi determinată din relația
)θθ(i d u cm W , (8.6)
în ca re m este masa obiectului încălzit, c căldura masică a obiectului , iar i
temperatura inițială a procesului de încălzire.
Pentru un calcul mai exact, î n relația (8 .6) se poate lua în considerație
modificarea căldurii masice c, odată cu creșterea tempe raturii corpului.
8.2.1.2 Instalații de încălzire rezistivă indirectă
Instalațiile de încălzire cu acțiune indirectă reprezintă o largă diversitate de
echipamente funcționând cu randamente electrice ridicate, productivitate mare, cu
reducerea important ă a poluării mediului ambiant și care asigură posibilitatea 3230/400 V; 50
Hz A
B
C
I C
T
S
K1 K2
Fig. 8 .4
Instalație de
încălzire directă.
Tehnologii electrice
7
automatizării și robotizării producției.
Cuptoarele electrice cu rezistoare , cu încălzire indirectă , au o largă utilizare
în industria modernă, o mare varietate de tipuri constructive și o gamă d iversă de
aplicații . De exemplu, sunt utilizate pentru efectuarea de tratamente termice,
producerea la cald a unor materiale plastice, tratamentul termic al pieselor din
sticlă, uscarea produselor ceramice, a lemnului, hârtiei etc. În categoria acestor
cuptoare intră și cuptoarele de laborator, aparatele electrocasnice , precum și nume –
roasele instalații de uscare din industria chimică și alimentară.
Unele dintre tipurile cele mai frecvent întâlnite de cuptoare cu acțiune
intermitentă (proces discontinuu de terminat de introducerea și scoaterea obiectelor
supuse procesării la cald) sunt indicate în figura 8 .5 [8.5].
Zidăria cuptorului, compusă în mod obișnuit din st ratul interior 2 ,
rezistent la temperatură înaltă și stratul exterior 1 , bun izolant termi c, are o pondere
importantă în bilanțul energetic al cuptorului. Căldura înmagazinată în zidărie,
precum și pierderile termice prin zidărie , influențează în mare măsură eficiența
procesului.
Transferul de căldură , de la elementul înc ălzitor 3 la obiectul încălzit 4 , se
face, practic , prin radiație în cazul cuptoarelor de medie temperatură ( = 600
1200C) și a celor de înaltă temperatură (peste 1200 C) și , practic , prin convecție
în cazul cuptoarelor de joasă temperatură (sub 600 C).
Închiderea core ctă a cuptorului (în fig. 8 .5 c) închid erea ușii 5 a cuptorului se
realizează cu sistemul hidraulic 6) permite limitarea pierderilor prin neetanșeități.
Dintre cuptoarele cu acțiune continuă, în figura 8 .6, sunt indicate cele cu
bandă transportoare (fig. 8.6 a)), cu carusel (fig. 8 .6 b)) și cu monorai (fig. 8 .6 c)).
Pentru toate tipurile de cuptoare cu rezistență electrică, cu acțiune indirectă,
reglarea temperaturii în cuptor, astfel încât să rezulte valoarea optimă pentru pre –
lucrare , are un rol importa nt în obținerea unor produse de calitate ridicată, în con –
dițiile unui consum corespunzător de energie electrică. Temperatura necesară pre –
lucrării și funcția de variație a acesteia pe durata procesului de încălzire sunt mă –
rimi care se înscriu în blocul d e control automat al temperaturii. În funcție de ca –
racteristicile obiectelor supuse încălzirii , sunt utilizate s isteme de control bipo –
zițional (fig. 6 .7), de reglare continuă (fig. 8 .8) sau de reglare cu controlul lățimii
impulsului ( PWM Pulse Width M odulation ) (fig. 8 .9) [8.6, 8 .7].
Reglarea bipozițională (fig. 8 .7) este utilizată în cazul obiectelor „termic
masive” caracterizate prin valori diferite, pe parcursul procesului de încălzire, între
temperatura la suprafața corpului și temperatura din cen trul corpului.
Temperatura corpului încălzitor, din cuptorul cu rezistoare CR, este urmărită
de către traductorul T care, prin intermediul unui bloc de adaptare BA, transmite la
comparatorul C o tensiune ur proporțională cu temperatura reală din cuptor. La
comparator este transmisă și tensiunea de consemn ud care conține toate infor –
mațiile necesare pentru controlul procesului, incluse în blocul BVD. Regulatorul
bipozițional RBP asigură comanda blocului de execuție BR (în mod obișnuit un
contactor) car e conectează sau deconectează sursa de alimentare cu energie
electrică.
Audit energetic
8
u i 1
3
2
4
6 i
u 1 2 3
5 4
a) 5
i u
1
2
3
4
b)
4
c) d)
Fig. 8 .5 Cuptoare electrice cu rezistoare, cu încălzire indirectă și acțiune discontinuă:
a) tip cam eră; b) cuptor vertical; c) cuptor cu elevator; d) tip clopot. i
u 1
2
3 4
5
5
În figura 8 .7 sunt indicate și caracteristica de reglare a sistemului automat
(fig. 8 .7 b)), curba de va riație a temperaturii în cuptor, precum și modul î n care
variază mărimile electrice din circuitul de alimentare (fig. 8 .7 c)).
Tensiunea la barele de alimentare (în fig. 8 .7 c)) este indicată numai pentru
faza A a sistemului de alimentare) prezintă variații ale amplitudinii în funcție de
starea elementulu i de execuție BR. Acestea afect ează calitatea energiei electrice
furnizată altor receptoare, conectate la aceleași bare. La realizarea bilanțului
energetic al procesului trebuie luate în considerație e ventualele mijloace pentru
limitarea perturbațiilor det erminate de funcționarea cuptorului cu rezistoare.
Reglarea continuă (fig. 8.8) este specifică corpurilor „termic subțiri”.
Controlul temperaturii se realizează prin modificarea valorii efective a curentului
Tehnologii electrice
9
electric în elementele încălzitoare, reglând, în mod adecvat, unghiul de intrare în
conducție a elementelor semiconductoare cuprinse în blocul de execuție BR.
Regulatorul de temperatură R asigură informațiile necesare blocului de comandă
BC pentru realizarea impulsurilor de comandă a elementelor semico nductoare.
u i 1 2 3
4 4
a) i
u 1 2 3
4
b)
i u 1
2
3 4
c)
Fig. 8 .6 Cuptoare cu rezistoare, cu încălzire indirectă și acțiune continuă:
a) cu bandă transportoare; b) cu carusel; c) cu monorai.
Pentru puteri relativ mici ale cuptoarelor (până la circa 10 kW) este utilizată,
în special, reglarea asimetrică (fig. 8 .8 b)), însoțită de perturbații armonice, dar ș i
de defazarea armonice i fundamentale i1 a curent ului electric în funcție de tensiunea
aplicată u. Pentru puteri mai mari, reglarea simetrică (fig. 8 .8 c)) face ca armonica
fundamentală i1 a curentului electric să fie în fază cu tensiunea aplicată, dar
conținutul armonic este important, mai ales la unghi uri mari de intrare în conducție.
Posibilitățile oferite de elementele semiconductoare performante permit
reglarea valorii efective a curentului electric prin modificarea duratei active ta din
durata tc a unui ciclu (fig. 8 .9).
8.2.1.3 Încălzirea cu radi ații infraroșii
Încălzirea cu radiații infraroșii (RI) este o variantă a încăl zirii indirecte cu
rezistoare, la care căldura este transmisă prin radiații electromagnetice aparținând
unor benzi de lungimi de undă precis determinate. Corpul iradiat absoar be o parte a
radiațiilor și își ridică temperatura pe baza energiei acestora.
Domeniul lungimilor de undă utilizat pentru încălzirea cu radiații infraroșii
este 0,76 10 m și este împărțit în trei benzi:
Audit energetic
10
RI scurte (A), cu = 0,76 2 m (1,4 m);
RI medii (B), cu = 2 4 m (1,4 3 m);
RI lungi (C), cu = 4 10 m (3 10 m).
θ
θd
θ0
u, i,
P
P
0 P
uA = u’A iA Încălzire Răcire
uA
A
B
C
BR
T BA uθr RBP uθd
C
iA
CR F 3 230/400 V
uA BVD
u’A
a) 0 t1 t
t
c) P
P
0 d
b)
Fig. 8 .7 Reglajul bipozițional al temperaturii din cuptorul electric.
Încălzirea cu radiații infraroșii își găsește utilizarea în procese care necesită
cantități precise de energie radiantă , de obicei cu lungimi de undă determinate și
care pot fi direcționate spre obiectul de încălzit, evitându -se astfel încălzirea aerului
sau a altor părți din echipament (tabelul 8 .1) [8.2]. Se asigură astfel, un randament
ridicat, inerție termică redusă și viteză mare de creștere a temperatu rii, posibilitatea
obținerii unor densități de putere ridicate și, deci, a reducerii duratei procesului de
încălzire și a pierderilor termice, încălzire omogenă datorită penetrării RI (deși
aceasta este limitată la câte va zecimi de mm), productivitate ridicată.
Sursele de RI, fabricate în prezent, corespund celor 3 domenii de mai sus și
sunt, în exclusivitate, radiatoare termice ce utilizează efectul Joule al curentului
electric care parcurge un element rezistiv. Pentru o temperatură T a corpului
încălzit, emisivitatea maximă rezultă pentru o lungime de undă m determ inată din
legea lui Wien (fig. 8 .10) [8.8].
Există, în continuare, posibilități practice de reducere a consumurilor
energetice în cazul încălzirii rezistive, în special prin:
reducerea pierderilor în cuptor (limitarea pierderilor prin părțile deschise
ale cuptorului, limitarea pierderilor prin acumulare de căldură în pereți utilizarea
de fibre ceramice pentru realizarea pereților limitarea temperaturii mantalei
exterioare la 60 80°C);
Tehnologii electrice
11
recuperarea căldurii în procesul de răcire a pieselor (camere de răcire în
care se introduc piesele care urmează a fi încălzite camere cu flux dublu);
modificări în procesul tehnologic pentru limitarea intervalel or de
subîncărcare a cuptorului pe durata unui ciclu.
uA
iA uA iA
iA1
0 α π 2π 3π ω 1t Ik/I1
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
20 40 60 80 100 120 140 160 α (grade) k = 1
k = 3
k = 5 k = 7
b)
uA
iA uA iA
iA1
0 α πα 2π 3π ω 1t Ik/I1
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0 k = 1
k = 3 k = 5
k = 7
10 20 30 40 50 60 70 80 α (grade)
c)
Fig. 8 .8 Reglajul continuu al temperaturii cuptorului electric cu rezistoare. A
B
C
BR
T BA uθr Rθ uθd
C
a) BC
iA F
CR 3 230/400 V; 50 Hz
uA
u’A
θr
(0, )
(0, /2) BVD
8.2.2 Încălzirea cu arc electric
Cuptoarele cu arc electric folos esc căldura dezvol tată în canalul arcului
electric pentru încălzirea și topirea metalelor .
Audit energetic
12
u
i
t uA iA
i1
ta
Fig. 8 .9 Reglarea cu durată variabilă
a pulsurilor de curent electric (PWM). tc T
[K]
2500
1500
500
0 2 4 6 8 [m]
Fig. 8 .10 Legea lui Wien. mT = 2898 mK
Tabelul 8 .1
Domeniile de utilizare a încălzirii și uscării cu radiații infraroșii
Domeniul de utilizare Puterea specifică necesară [kW m2] sau
consumul specific de energie electrică
[kWhkg]
Uscarea suprafețelor vopsite 5 15 kWm2
Usca rea hârtiei și cartonului 3 20 kWm2
Uscarea materialelor textile 1,4 1,8 kWhkg, apă eliminată
Uscarea materialelor ceramice și
minerale 0,2 0,3 kWhkg
Uscarea miezurilor de turnătorie 0,1 0,25 kWhkg
Uscarea produselor agricole (furaj e,
cereale, semințe) 0,15 0,20 kWhkg
Uscarea legumelor și fructelor 0,7 2 kWhkg
Uscarea făinii și a pastelor făinoase 0,28 0,38 kWhkg
Uscarea pielăriei și încălțămintei 0,7 1 kWhkg
Încălzirea cauciucului și a
materialelor impregnate 0,5 0,6 kWhkg
Coacerea pâinii, biscuiț ilor 5 20 kWm2
Prăjirea cărnii 40 kWm2
8.2.2.1 Cuptoare trifazate cu arc electric
Cuptoarele cu arc electric în construcție trifaza tă, cu acțiune directă (arcul
electric se stabilește între electr ozi și metal) sunt , în prezent , cele mai întâlnite
soluții pentru elaborarea oțelurilor. Circa 1/3 din oțelul utilizat , în prezent , este
obținut pe cale elect rică, urmând ca , în perspectivă , ponderea să crească până la
50% odată cu necesitatea reciclării f ierului vechi. Ca exem plu, în figura 8 .11 este
indicată dinamica necesarului de oțel pe plan mondial.
Capacitatea acestor cuptoare poate ajunge la 400 tone cu puteri unitare de
80 MW (120 MVA) și un consum specific de energie electrică de 500 640 kWh/ t.
Schema de principiu a unui cuptor trifazat cu arc electric este indicată î n
figura 8 .12. Din punct de vedere constructiv cuptorul pentru topirea oțelului este
alcătuit din cuva de topire 1, coloana de pivotare 2, transformatorul de alimentare
3, rețea ua scurtă (legătura electrică dintre transformator și electrozi) 4, port –
Tehnologii electrice
13
electrodul 5, dispozitivul de comandă hidraulică a electrozilor 6, electrozii 7 ai
cuptorului, jgheabul de golire 8.
Transformatorul de cuptor este pl asat într -o încăpere specială , aflată în
imediata apropiere a cuptorului. Rețeaua scurtă are trei porțiuni. Prima este reali –
zată sub forma unui pachet de bare și asigură legătura dintre bornele secundare ale
transformatorului și ieșirea din încăperea unde este plasat acesta. Cea de a doua
este realizată cu cabluri flexibile din cupru și preia variațiile datorate modificării
poziției electrozilor pe durata elaborării șarjei. Cea de a treia porțiune, realizată din
bare răcite cu apă, este solidară cu portele ctrodul 5 al fazei respective și izolată
electric de acesta prin intermediul unor izolatoare 9. Transformatorul de cuptor 3
este plasat într -o încăpere 10, separată de zona de lucru a cuptorului. Arcul electric
11 apare între electrozii 7 și masa metalului 12 care urmează a fi procesat.
1 7 4
4 4
3 9 9
5
6
2
Fig. 8 .12 Construcția cuptorului cu arc electric trifazat pentru
topirea oț elului. 8
12 11 10
Sunt utilizați electrozi din cărbune (amestec de antracit, cărbune de retortă,
Alții
Nafta
Rusia/restul
Europei
EU 25
Restul Asiei
Japonia
China
153 73 121 157 51 130 86 771
232 74 140 158 55 131 98 888
267 77 145 164 50 146 106 995
294 77 150 168 52 150 110 1001
2001 2003 2004 2005
Fig. 8 .11 Consumul mondial de oțel, în milioane tone.
Audit energetic
14
cocs de petrol și smoală, sinterizate în forme speciale la circa 1000 °C) și electrozi
din grafit (electrozi din căr bune grafitați la peste 2500 °C). La cuptoarele de putere
mare HP ( High Power) și de putere foarte mare UHP ( Ultra High Power ) sunt
folosiți electrozi din grafit . Aceștia au diametrul de 100 1000 mm, lungimi de
1 3 m și sunt prevăzuți cu sistem e de îmbinare.
Bilanțul energetic al unui cuptor trifazat cu arc electric pentru topirea
oțelului e ste indicat în figura 8.13 [8 .3].
Consumurile specifice ale cuptoa relor cu arc electric (tabelul 8 .2) depind, în
mare măsură, de capacitatea acestora. Pentru a asigura reducerea consumurilor de
energie electrică, industria modernă utilizează în special cuptoare de capacitate
mare (HP) și de capacitate foarte mare (UHP) [8 .9].
Tabelul 8 .2
Caracteristici ale cuptoarelor cu arc electric pentru topirea o țelurilor
Capacitatea
cuptorului , t 0,5 1,5 3,0 5 6 10 12 20
25 40 50 80 100
200
Consum specific
w0 de energie
electrică , kWh/t 650 600 550 500 470 460 440 420 410
Durata tt a
topirii,
ore 1,25 1,75 1,5 2 2,5 3
Tehnologii electrice
15
Pierderi electrice
45 kWh (8%)
Reacții exoterme
155 kWh (27%)
Reacții endoterme
25 kWh (4,6%)
Pierderi prin ardere material
43 kWh (7,5%)
Pierderi prin gaze evacuate
57 kWh (10%)
Pierderi prin apa de răcire a pereților
69 kWh (12%)
Pierderi termi ce prin pereți
13 kWh (2,3%)
Pierderi termice în zgură
59 kWh (10%) Energie electrică
absorbită
571 kWh (100%)
Căldură utilizată
în cuptor
681 kWh (164%)
Căldură utilă
1680C
415 kWh (72,6%)
Fig. 8 .13 Bilanțul energetic al unui cuptor cu arc electric de 55 t
(pe tona de oțel turnat); aria laterală 27 m2, răcit cu apă.
Analiza bilanțului energetic al cuptorului se face pe baza informațiilor
privind căldura totală necesară procesului Q, a pierderilor și a căldurii utile
Q = Qu + Qpt + Qpp , (8.7)
în care Qpt sunt pierderile de căldură pe durata procesului de topire, Q pp pierderile
termice pe durata pauzelor pentru reîncărcare (dacă topirea se face în mai multe
etape), iar Qu căldura utilă, necesară încălzirii și topirii metalului.
Căldura utilă Qu poate fi determinată pe baza masei cunoscute m a încărcăturii
și a consumului specific de energie w0 necesar procesului de topire
mw Qu0 . (8.8)
Pierderile de căldură Qpt pe durata tt a procesului de topire se evaluiază cu
relația
tpt pt t Q , (8.9)
în care fluxul termic pt , corespunzător pierderilor de căldură pe durata procesului
de topire, cuprinde următoarele categorii de pierderi:
Pierderi prin căptușeala cuptorul ui (pierderi prin conducție termică) c ,
dependente de dimensiunile cuvei (caracterizată prin ariile laterale Acj ale diferitelor
părți ale cuptorului) , precum și de caracteristicile fizice ale materialelor din
căptușeală și de temperatura din cuptor
Audit energetic
16
n
jcj sj c Ap
1
, (8.10)
în care psj este densitatea fluxului termic care corespunde celor n componente ale
suprafeței laterale a cuptorului.
Valorile rezultate ale densităț ilor de flux termic trebuie comparate cu
capacitatea de transfer termic, pri n convecție, de la suprafața exterioară a
cuptorului (de temperatură c) la mediul ambiant (de temperatură 0). Este necesar
a fi verificată egalitatea:
n
jc c sjp
10) (
; (8.11)
Pierderi prin ușa de lucru (prin radiație) ul , a cărei arie este Aul, deter mi-
nate din relația:
ul ul n ul A T Tc ) (4
04, (8.12)
în care Tul și T0 sunt temperaturile în zona ușii de lucru și respectiv a mediului
ambiant, cn coeficientul de radiație al corpului negru, coeficient de radiație.
Pierderi în apa d e răcire ar :
s
kk ak ar q
1
, (8.13)
în care qak este debitul de apă [ l/s] prin cele s sisteme de răcire cu apă , iar k
diferența de temperatură a apei de răcire la ieșirea din circuit față de intrare;
Pierderile ma prin părțile metalic e răcite cu apă , aflate parțial sau total
în interiorul cuptorului , se calculează cu relațiile corespunzătoare transferului
termic prin radiație , având în vedere că temperatura maximă a ace stor suprafețe
este de circa 80 C, iar materialele din cuptor au o temperatură mult mai ridicată.
Fluxul termic pt se determină din relația:
ma ar ul c s ptk , (8.14)
în care ks = 1,2 1,4 este un factor de siguranță.
Pierderile termice pp între topiri pot fi considerate ca fiind de 1,5 ori mai
mari decât pierderile termice pt pe durata procesului de topire ( pp 1,5pt) [8.5].
Căldura Qpp pierdută pe duratele dintre topiri rezultă din relația:
p pp pp t Q , (8.15)
în care tp este durata pauzei dintre două topiri.
Căldura utilă este deter minată de temperatura șarjei și este de 390 kWh/t la
1620C și 425 kWh/t pentru o temperatură de 1750 C a oțelului lichid (necesară
turnării).
Căldura pierdută în zgură depinde de temperatura băii. Cantitatea de zgură
depinde de compo ziția băii și poate re prezenta 5 20% din greutatea băii lichide
[8.3]. Căldura acumulată este între 30 100 kWh/t de oțel lichid.
Pierderi prin suprafețele laterale ale cuptorului depind de pierderile specifice
prin aria laterală a cuptorului și de durata șarjei. Pentru un cuptor de 100 t ele pot
ajunge la 10 25 kWh/t.
Tehnologii electrice
17
Pierderile în apa de răcire depind , în special , de durata șarje i. Acestea p ot
avea valori de 55 130 kWh/t.
Pierderi în gazele evacuate depind , în principal , de durata procesului și de
eficiența si stemului de evacuare. Pot avea valori cuprinse între 50 90 kWh [8.3].
Pierderi electrice constau în :
pierderi în miezul magnetic al transformatorului;
pierderi în înfășurările transformatorului;
pierderi în rețeaua scurtă;
pierderi în ele ctrozi.
Pentru o șarjă cu o durată sub 2 ore au valori de 30 50 kWh/t.
Consumul util de energie pentru topire și tratare ulterioară , în
cuptoarele tri fazate cu arc electric , este de 500…700 kWh/t [8.3].
Randamentul al cuptorului se determină di n relația:
tu u
tSQ
PP. (8.16)
În relația (8 .16) s-a notat cu Pu = Q u/tt puterea utilă disipată în cuptor,
egală cu căldura utilă Qu raportată la durata procesului de topite tt . De asemenea,
s-a notat cu S puterea electrică aparentă a bsorbită de instalație, iar este factorul
de putere corespunzător.
Puterea aparentă S, în timpul funcționării, ajunge cel mult egală cu puterea
aparentă nominală STn a transformatorului de alimentare.
În mod obișnuit , cuptoarele cu arc electric funcț ionează, pe perioada de
topire, cu un factor de putere natural = 0,85 și un randament 0,6.
În figura 6 .14 sunt indicate valori obișnuite ale parametrilor electrici ai
cuptoa relor trifazate cu arc electric, în funcț ie de factorul de putere realiz at [8.3].
Tensiunea secundară a transformatorului de cuptor U2 (tensiune între faze)
depinde de puterea transformatorului, de dimensiunile spațiului de topire, de
caracterul procesului metalurgic și de calitatea materialelor refractare utilizate. La
o tensiune secundară mai mare se obține o îmbunătățire a randamentului și a
factorului de putere ale cuptorului , dar rezultă o reducere a duratei de viață a
căptușelii refractare datorită lun gimii mai mari a arcului electric.
U2M
[V]
1000
800
600
400
200 I2M
[kA]
125
100
75
50
25
0 50 100 150 200 STn [MVA] 0 50 100 150 200 STn [MVA]
a) b)
Fig. 8 .14 Tensiunea secundară a transformatorului de cuptor a) și curentul din arcul
electric b), în funcție de puterea nominală. 1
2
3
1 λ = 0,6
2 λ = 0,7
3 λ = 0,8 1
2
3
1 λ = 0,6
2 λ = 0,7
3 λ = 0,8
Audit energetic
18
Valoarea maximă U2M a tensiunii secundare [V] a transformatorului (tensiune
între faze) se calculează din relațiile empirice [8.5]:
U SM Tn 2315 ,
pentru cuptoare cu căptușeala bazică,
U SM Tn 23 70 15. ,
pentru cuptoare cu căptușeala acidă,
unde puterea nominală STn a transformatorului se introduce în [kVA].
În analiza bilanțului energetic al cuptorului este necesar să se ia în
considerație și elementele circuitului de alim entare al cuptorului. În tabelul 8 .3 sunt
indicate relațiile de calc ul necesare determinării pierder ilor în circuitul de
alimentare. Parametrii uzuali ai transformatoarelor de c uptor sunt indicate în
tabelul 8.4 [8 .5].
Pentru limitarea nesimetriei în rețeaua electrică de alimentare, schema rețelei
scurte (legătura dintre t ransformatorul de cuptor și electrozi) poate fi realizată în
stea la electrozi (la cuptoarele până la 10 tone), cu triunghi nesimetric la electrozi
(la cuptoare peste 10 tone) și cu triunghi simetric la electrozi (la cuptoarele foarte
mari) figura 8 .15 [8.5].
Ca exemplu, în tabelul 8 .5 [8.5] sunt indicate valori măsurate ale para metri-
lor electrici ai cuptorului cu capacitate de 200 tone pentru diferite variante de rea –
lizare a rețelei scurte. În calcu lele practice, valorile măsurate, cu aju torul unor mă-
rimi sinusoidale, ale reactanțelor circui tului de alimentare a cupto rului, trebuie
multiplicate cu un factor egal cu 1,05 1,15 pentru a lua în consi derație faptul că,
în realitate, curentul în arcul electric este nesinusoidal .
În tabelul 8 .5 es te indicat și factorul de nesimetrie ka rezultat în diferitele
configurații ale rețelei scurte
medPP Pkm M
a, (8.17)
în care PM este puterea transmisă pe faza cea mai încărcată (numită în mod obișnuit
faza „sălbatică”), Pm puterea transmisă p e faza cea mai slab încărcată (numită în
mod obișnuit faza „moartă”), iar Pmed este puterea medie pe fază a cuptorului. Dacă
nu se iau măsuri adecvate, factorul de nesimetrie ka poate ajunge la 0,28 la cuptoa –
rele cu capacitate de 100 tone și 0,425 la cupt oarele cu capacitate de 200 tone.
Tabelul
8.3
Relații pentru analiza pierderilor în circuitul de alimentare a cuptorului cu arc electric
Mărimea sau parametrul
de calcul Raportare la primarul
transfo rmatorului
(tensiune înaltă) Raportare la secundarul
transformatorului
(joasă tensiune)
Tensiunea pe fază Uj = U 1 Uj = U 2
Curentul în arcul electric Ij = I 1 Ij = I 2
Rezistența electrică a bo –
binei de limitare RBl (din fișa tehnică a
echipamentului) R’Bl = R Bl (U2 /U1)2
Reactanța bobinei de
limitare, la 50 Hz
11
100 IUxXBl
Bl
X’Bl = X Bl (U2 /U1)2
Rezistența electrică pe fază
a transformatorului
RPU
STsc
Tn 312 R’T = R T (U2/U1)2
Tehnologii electrice
19
Reactanța pe fază a
transformatorului, la 50 Hz
XuU
STsc
Tn3
10012 X’T = X T (U2 /U1)2
Rezistența electrică a
rețelei scurte R’je = R j (U1 /U2)2 Rje (determinată prin
calcul pentru fiecare
configurație concretă)
Reactanța rețelei scurte,
la 50 Hz X’je= X je (U1 /U2)2 Xje (determinată prin
calcul pentru fiecare
configurație concretă)
Rezistența electric ă totală rj = R Bl + R T + R’ je r’j = R’ Bl + R’ T + R je
Reactanța totală, la 50 Hz xj = X Bl + X T + X’ je x’j = X’ Bl + X’ T + X je
În tabelul 8 .3 au fost utilizate notațiile:
xBl [%] reactanța procentuală a bobinei de lim itare (indicată în fișa tehnică
a echipamentului),
Psc pierderile în scurtcircuit ale transformatorului de cuptor,
STn puterea aparentă nominală a transformatorului de cuptor,
usc [%] tensiunea de scurtcircuit a transformatorului de cuptor.
Func ționarea cuptorului cu o nesimetrie importantă conduce la o utilizare
slabă a transformatorului de cuptor și importante perturbații în rețeaua electrică de
alimentare.
Pe durata funcționării cuptorului cu arc electric și mai ales pe durata topirii,
apar v ariații importante ale curentului electric în circuit, însoțite de variații
importante și aleatorii ale tensiunii la barele de alimentare, care determină efect de
flicker. Ca exemplu, în figura 8 .16 sunt indicate curbele de variație ale tensiunii și
puteri i reactive la barele de alimentare, în absența și în prezența instalației de
limitare a efectului de flicker.
8.2.2.2 Reducerea consumurilor de energie la cuptoarele trifazate
cu arc electric
Consumurile ridicate de energie electrică pentru unitatea de produs, precum
și cantitățile importante de oțel necesare industriei moderne impun, o analiză atentă
a bilanțului energetic al procesului și evaluarea măsurilor pentru limitarea
consumurilor. Principalele mijloace pentru reducerea consumurilor specifice de
energie electrică sunt:
Audit energetic
20
Separarea proceselor de topire și de preparare a metalului topit; analiza
diagramei de principiu a funcționării cuptorului cu arc electric pune în evidență
faptul că cele mai ridicate consumuri, dar și încărcarea co mpletă și, deci,o utilizare
eficientă a echipamentelor au loc pe durata prcesului de topire;
Limitarea numărului de reîncărcări ale cuptorului pe durata procesării unei
șarje prin pregătirea corespunzătoare a fierului vechi și creșterea masei volumetri ce
a materialului introdus în cuptor (cel puțin 2,5 t/m3);
Reducerea duratei procesului de preparare și, deci, reducerea pierderilor de
căldură prin selectarea adecvată a tipului de fier vechi utilizat, în funcție de
caracteristicile șarjei dorite;
Planificarea activităților astfel încât să se asigure încărcarea cuptorului la
capacitatea sa proiectată;
Controlul automat al procesului în vederea realizării parametrilor cât mai
apropiați de cei optimi. 8 7
E
B EC A
B
C
a) IA
IB
IC
Fig. 8 .15 Scheme de legare a rețelei scurte:
1 înfășurări secundare ale transformatorului
de cuptor; 2 legătură cu bară rigidă; 3
conexiune fixă; 4 cablu flexibil; 5
conexiune mobilă;
6 legătură tubulară răcită cu apă; 7
electrod;
8 cuptor 8 7
EB
EC B A
I
B IC
IB IA
IC 1
2 3 4 5 6
EA
1 3 4 5 6
IA
2
b)
8 7
EB
EC B A
I
C IA
IB IB
IC 1 3 4 5 6
IA
2 c) EA C
C
Tehnologii electrice
21
Qn
10 MVAr a
U
5% b
Qs
10 MVAr c
U
5% d
Fig. 8 .16 Variația puterii reactive a consumatorului perturbator (a),
variația tensiunii pe bare în lipsa instalației de urmărire a puterii reactive
(b), curba de variație a puterii reactive absorbită din rețeaua electrică, în
prezența instalației de urmărire (c), variația tensiunii pe barele de
alimentare, în prezența instalației de urmărire a puterii reactive (d). 1 s
Tabelul 8 .4
Principalele caracteristici ale transformatoarelor de cuptor
Puterea nominală, Sn
MVA 1,25 2,0 2,8 4,0 9,0 15,0 25,0 45,0
Tensiunea primară,
U1 kV 6;10 6;10 6;10 6;10 6;10 35 35 35
Tensiunea secun dară,
U2
kV 225
110 243
124 257
114 281
130 318
115 368
126 417
131 591
164
Curentul electric
secundar, I, kA 3,2 4,8 6,3
8,22 16,3
5 23,5 34,6 43,9
Tensiunea de scurt –
circuit usc pe treapta
maximă a ten siunii
secundare (apor tul
bobinei serie) [%] 31,5
(25) 27,5
(20) 20,1
(14,9) 20,7
(10) 14,3
(7,5) 8,8 7,6 8,0
Pierderi de mers în
gol, P0, kW 4,2 7,0 13,5 10
32,7 35 85,6 52,4
Audit energetic
22
Pierderi în scurtcircuit,
Psc, kW 15 23 28 48 114,
5 148 217 285
Număr de prize în
secundar 12 12 12 12 12 23 23 23
Tabelul 8 .5
Parametri ai cuptorului cu capacitate de 200 tone
Schema rețelei scurte L
H R
m ka
%
Stea la electrozi (fig. 8.25
a)) 10 0,411 35,7
Triunghi nesimetric la
electrozi (fig. 8 .25 b)) 7,8 0,409 29,2
Triunghi simetric la
electrozi (fig. 8.25 c)) 6,4 0,401 6,2
Una dintre soluțiile cele mai eficient e pentru procesarea fierului vechi constă
în utilizarea cuptoarelor alimentate cu tensiune continuă (fig. 8 .17). Principalele
caracteristici ale acestor cuptoare, în raport cu cele clasice trifazate, sunt indicate în
tabelul 8 .6.
Electrod de
întoarcere Metal
topit Electrod Portelectrod
Bobină
Sistem
de ridicare a
electrozilor Transformator
Redresor
Filtru de
armonice
Fig. 8 .17 Cuptor cu arc electric alimentat cu tensiune continuă.
Datorită procesului specific de topire, în cuptorul cu arc electric alimentat cu
tensiune continuă, topirea metalului este mai rapidă, iar temperatura băii este mai
uniformă.
Consumul redus de electrozi la cuptoarele alimen tate cu tensiune continuă
este datorat următoarelor condiții avantajoase față de cuptorul alimentat la tensiune
alternativ ă:
oxidare laterală redusă a electrodului central (datorită lipsei solicitărilor
termice determinate de arcul electric al electrozilor din apropiere),
electrodul central este tot timpul catod, nefiind bombardat cu electroni ca
în cazul schimbării de polaritate.
Datorită condițiilor avantajoase în care lucrează electrodul central, acesta
poate fi încărcat cu o densitate a curentului electric cu circa 30% mai mare față de
cazul cuptoarelor alimentate la tensiune alternativă.
Tehnologii electrice
23
Arderea stabilă a arcului electric la cuptoarele alimentate cu tensiune
continuă face ca nivelul de flicker să fie relativ redus (circa 50% față de cazul
cuptoarelor alimentate cu tensiun e alternativă).
O soluție deosebit de eficientă pentru recuperarea energiei gazelor de arder e
este prezentată în figura 8 .18 pentru cazul cuptoarelor cu arc electric alimentate la
tensiune c ontinuă [8 .11].
Tabelul 8 .6
Principalele caracteristici ale cupto arelor cu arc electric
Caracteristici Alimentare cu
tensiune
alternativă Alimentare cu
tensiune continuă Observații
Număr de electrozi 3 electrozi în
bolta superioară un electrod central
Diametrul uzual al
electrozilor 3 x 350 mm 1 x 350 mm
Intensitatea
curentului în arcul
electric 17 kA
(circa 17 A/cm2) la topire: 25 kA
(circa 25 A/cm2);
la încălzire: 40 kA
(circa 40 A/cm2) Pentru cuptoare
echivalente
Puterea nominală 10 MW 10 MW
Tensiunea la
bornele arcului
electric 230 V 400 V
Lungimea arcului
electric 170 mm 370 mm
Consum specific
de
electrozi 100% 35 50% Reducere de la
circa 3,2 la 1,2 kg
la tona de metal
lichid
Consum specific
de
energie electrică 100% 90 95%
Nivel de flicker 100% 50%
Nivel de zgomot 100 % Practic același nivel
în prima etapă de
topire dar mult mai
redus în restul
timpului În etapa inițială;
115 dBA iar apoi
sub 90 dBA
Procesul de topire Apar zone supra –
încălzite și altele
relativ reci Topire practic
uniformă
Expl oatare Intervenția
operatoru –
lui la întreruperea
arcului electric Nu apare necesară
intervenția
operatorului. Tiristoarele preiau
controlul curentului
în circuit
Audit energetic
24
C
F D M E E
K1 K2 Fe
Fig. 8 .18 Sistem de recuperare a căldurii la cuptoare cu arc
electric, alimentate la tensiune continuă.
Cele două cuptoare gemene K1 și K2 sunt alimentate de la ac eeași sursă de
tensiune continuă. Dacă, de exemplu, în cuptorul K1 are loc procesul de preparare a
metalului M, gazele evacuate ajung în cuptorul K2 (prin intermediul elementului de
deviere D care poate asigura eventuala de viere a gazelor spre coș) unde î ncălzesc
încărcătura Fe (oțel vechi) ce urmează a fi procesată. Gazele răcite, ieșite din
cuptorul K2 sunt diri jate spre coșul de evacuare C prin inter mediul sistemului de
filtrare F.
După terminarea procesului de preparare în cuptorul K1, este conectat la
sursa de alimentare cuptorul K2 și, după evacuarea metalului topit din cuptorul K1,
se trece la încărcarea acestuia pentru o nouă șarjă.
8.2.3 Încălzirea cu inducție electromagnetică
Încălzirea în cuptoarele și instalațiile cu inducție electromagne tică se
bazează pe pătrunderea câmpului electromagnetic în materiale conductoare aflate
într-un câmp magnetic variabil în timp. Curenții electrici turbionari determinați de
tensiunile electromotoare induse conduc la încălzirea acestuia prin efect Joule
Lanțul transformărilor energetice care au loc într -o instalație de inducție
electromag netică este indicat în figura 8.19 [8 .10].
Tensiune
aplicat ă
inductorului Curent
electric în
inductor Câmp magnetic
determinat de
inductor T.e.m.
induse în
material Curen ți electrici
turbionari în
material Caldură
prin efect
Joule
Fig. 8 .19 Lanțul transform ărilor energetice într-o insta lație cu induc ție electromagnetic ă.
Principalele caracteristici ale încălzirii prin inducție electromagnetică sunt:
căldura se dezvoltă în corpul care urmează a fi încălzit, obținându -se un
trans fer important de energie (> 1000 kW/m2) și deci o viteză mare de încălzire [8.9];
instalații relativ simple;
este posibil lucrul în vid sau atmosferă controlată;
posibilitate de automatizare și funcționare în flux continuu;
se asigură condiții îmbunătățite de muncă, cu o poluare redusă a mediului
ambiant.
Principalele tipuri de instalații de încălzire prin inducție electromagnetică
Tehnologii electrice
25
sunt indicate în figura 8 .20 [8.5].
Mărimea principală c e caracterizează procesele de încălzire prin inducție
electro magnetică este adâncimea de pătrundere [8.11]
f1 2
, (8.18)
în care = 2f este pulsația câmpului electric inductor, permeabilitatea
materialu lui procesat, conductivitatea materialului.
Adâncimea de pătrundere corespunde distanței de la suprafața corpului în
care se disipă practic 86% din întreaga putere care pătrunde în material.
Procesele de tratare termică la suprafață sunt caracteriza te de o adâncime de
pătrundere redusă, în funcție de tratamentul urmărit. Mărimea reglată este frecvența
câmpului magnetic inductor.
În cazul instalațiilor de topire, pentru a realiza temperatura necesară, energia
este concentrată pe o adâncime de pătrunde re
1,0 /δd , în care d este diamet rul
masei de metal din cuptor [8 .9].
În cazul încălzirii în profunzime se operează cu
3,0 15,0 /δ d .
Fig. 8 .20 Principalele tipuri de echipamente de încălzire prin induc ție electromagnetic ă. Echipamente de încălzire prin
induc ție electromagnetic ă
Echipamente
pentru topire Echipamente de
încălzire în
profunzime Echipamente pentru
tratamente termic e la
suprafa ță Echipamente pentru
scopuri specializate
Cu canal
Cu mai multe
inductoare
Pentru prelucrarea
materialelor
semiconductoare
Pentru agitarea sau
pomparea materialelor
lichide Cu creuzet Cu un inductor Cu ac țiune continu ă
Cu acțiune
discontinu ă Pentru sudarea țevilor
și detensionare
Pentru uscarea de –
punerilor de protec ție
8.2.3.1 Încălzirea la suprafață
Pentru a asigura o încălzire eficientă a produsului, bobina inductoare trebuie
să fie adecvată formei reale a corpului procesat. Cazul cel mai simplu este cel al
procesării unor bare cilindrice (fig. 8 .21). Alegerea corectă a frecvenței, a pu terii și
Audit energetic
26
a duratei procesului de în călzire asigură condițiile necesare pro cesării optime a
pieselor încălzite.
Procedeul de tratare termică uti lizând inducția electromagnetică asigură
viteze mari de încălzire care pot ajunge la 100 K/s, fiind necesare însă densități
mari de putere pri n suprafața piesei,
cuprinse, în mod obișnuit, între 10 și
30 MW/m2 [8.10].
Pentru cea mai mare parte a
aplicațiilor în domeniul 300 400 kHz,
puterea variază între 10 și 50 kW.
Frecvențele mai joase, folosite
pentru adâncimi de tratare mai mari, sunt
asociate unor puteri de 40 300 kW.
În cazul pieselor mici , frecvența
utilizată este de 300 500 kHz la o
putere de 25 50 kW, iar pentru meca nisme mai mari, f = 3 25 kHz la o putere
care poate depăși 1500 kW.
În tabelul 8 .7 sunt indicat e, pentru oțel, adâncimile de călir e în funcție de
frecvența câmpului inductor [8.10].
Tabelul 8 .7
Adâncimi de călire în cazul frecvențelor uzuale, la oțel
Frecvența, kHz 450 300 25 10 3 1
Adâncimea de
călire *, mm 0,5 2 0,75
2,5 1,5 3 2 5 3,5 7 5 9
* Adâncimea de călire este definită ca distanța măsurată de la suprafață până în
punctul în care duritatea scade la 50 HRC.
8.2.3.2 Topirea în cuptoare cu inducție elect romagnetică
Topirea materialelor cu inducție electromagneti că se realizează , în principal ,
în două tipuri de cuptoare: cu canal (fig. 8.22 a)) și cu creuzet (fig. 8 .22 b)). I1
H
zona
curenților
electrici induși Fig. 8 .21 Încălzirea la suprafață a
unei bare cilindrice. obiectul
procesat bobina
inductoar
e
Tehnologii electrice
27
Fig. 8 .22 Cuptor cu canal a) și cu creuzet b):
A partea circulară a cuptorului; B, C partea dreaptă a cuptorului;
1 corpul cuptorului; 2 bobina inductoare; 3 încărcătura cuptorului;
4 izolație termică; 5 circuitul magnetic. 1
2 3
5
4
b) A B
a) C
1
2 3
5
În tabelul 8 .8 sunt indicate caracteristici ale cuptoarelor cu inducț ie
electromagnetică cu canal, funcționând l a frecvența de 50 Hz și domeniul lor de
utilizare [8.5].
Canalul cuptorului este zona cea mai solicitată din punct de vedere termic și
mecanic. Grosimea izolației termice a canalului trebuie să fie cât mai redusă pentru
a limita fluxul de scăpări, dar treb uie să reziste și solicitărilor termice corespun –
zătoare (circa 200 K/cm). În mod obișnuit , grosimea izolației refractare a canalului
este de 50 70 cm.
Randamentul electric al cuptorului cu canal este relativ ridicat (60 95%, în
funcție de tipul ma terialului și procesului tehnologic). Factorul de putere natural al
cuptorului este de 0,2 0,7, ceea ce impune utilizarea unor echipamente de
compensare a puterii reactive.
Unitățile de topire conectate între două faze de termină nesimetrii important e
în circuitul de alimentare, astfel încât este necesară, de cele mai multe ori,
conectarea insta lației prin intermediul unei scheme de simetrizare Steinmetz.
Tabelul 8 .8
Puteri specifice limită la cuptoarele de inducție electromagnetică cu cana l
Nr.
crt. Metalul încălzit Capacitate
a
cuptorului,
t Puterea
specifică
limită,
W/cm3 Puteri uzuale
ale cupto –
rului, kW Consum specific
de energ ie
electrică la topire,
kWh/t
1 Cupru 5 35 50 60 50 6300 270 340
2 Alamă (67,5% Cu
+ 32,5 % Zn) 5 35 26 32 50 6300 200 250
3 Bronz (93 % Cu+
3% Zn + 4 % Sn) 5 35 20 25 50 6300 300 330
Audit energetic
28
4 Aluminiu 5 70 3 6 40 3600 400 520
5 Aliaje de
aluminiu 5 70 12 14 40 3600 400 520
6 Zinc 10 100 30 50 30 3000 95 130
7 Nichel 50 80 470 500
8 Fontă 10 135 50 80 50 6400 450 700
În analiza en ergetică a procesului este necesar să se ia în considerație și echi –
pamentele auxiliare necesare compen sării puterii reactive și simetrizării sarcinii.
Cuptoarele de topire cu creuzet (fig. 8.22 b)) sunt folosite la elaborarea
oțelului de calitate superi oară, a fontei, a metalelor neferoase și a aliajelor acestora.
Cuptoarele cu creuzet pot fi de frecvență industrială (50 Hz) sau de medie
frecvență (50 10000 Hz). Liniile de câmp magnetic traversează materialul
refractar al cuptorului și grosimea izol ației termice, zone fără fier, astfel încât acest
tip de cuptor se mai numește „cu circuit magnetic deschis”.
Grosimea peretelui creuzetului prezintă o importanță deosebită asupra para –
metrilor de funcționare ai cuptorului. Pentru grosimi reduse, scade fl uxul magnetic
de scăpări și crește randamentul electric al instalației. La o grosime redusă a pere –
telui, rezultă însă pierderi termice mari și solicitări termice importante ale materia –
lului refractar din care este realizat peretele.
În tabelul 8 .9 sunt indicate principalele car acteristici ale cuptoarelor cu
inducție electromagnetică cu creuzet [8.5].
Tabelul 8 .9
Caracteristici ale cuptoarelor cu inducție electromagnetică
Materialul
topit Capacitate
,
t Putere,
MW Consum
specific de
energie
electrică, kWh/t
Joasă frecvență
Fontă, oțel 0,3 100 0,5 21 550 750
Metale ușoare 0,5 15 0,2 4
Metale grele
Medie frecvență
Fontă, oțel 0,25 30 0,3 16 600 2000
Metale ușoare 0,1 10 0,2 4 550 620
Metale g rele 0,3 35 0,3 8
Ca urmare a realizării convertoarelor de frecvență cu semicon ductoare, cu
puteri până la 12 MW, la prețuri accesibile, în prezent se constată tendința de a
utiliza cuptoare cu creuzet, funcționând la medie frecvență (fig. 8 .23) cu puteri
mari și având o eficiență energetică superioară cu ptoarelor de joasă frecvență [8 .9].
Tehnologii electrice
29
A B C
Sursa de Redresor Circuit intermediar Invertor Compensare Cuptor
alimentare de curent continuu putere reactivă cu inducție ud D1
D2 T1
T2 C T3
T4 D3
D4 Ud
Fig. 8.23 Circuit de alimentare a unui cuptor cu inducție electromagnetică de medie
frecvență.
Randamentul electric al cuptorului de inducție electromagnetică cu creuzet
este el = 0,5 0,8. Valorile reduse corespun d topirii materialelor cu conductivi –
tate electrică relativ ridicată (la topirea aluminiului el = 0,5 0,6), iar valorile ri –
dicate corespund topirii materialelor feroase cu conductivitate relativ coborâtă (la
topirea oțelului rezultă el = 0,7 0,8). Randamentul termic al cuptorului depinde
de tipul izolației termice , precum și de temperatura materia lului din cuptor și are
valori t = 0,8 0,85. În acest fel, randamentul cuptorului cu creuzet este c =
0,4 0,68 [8.2].
Consumul specif ic al cuptoarelor cu creuzet depinde , în mare măsură de
capacitatea , cuptorului și de tipul materialului procesat. Pentru un proces d e topire
a oțelului, în figura 8 .24 [8.4] sunt indicate valori medii ale consumurilor
înregistrate d e cuptoarel e cu inducți e electro magnetică cu creuzet.
Bilanțul de energie , tipic pentru un cuptor cu inducție electromagnetică cu
creuzet , este indicat în figura 8 .25.
0 2 4 6 8 10 12 14 M [t]
Fig.8 .24 Valori medii ale consumurilor de
energie electrică la cuptoarele cu creuzet cu
inducție electromagnetică în funcție de
capacitatea cuptorului. w
[kWh/t]
1000
900
800
700
600
500
400
Energie utilă
54 71% Energie consumată
100%
Fig. 8 .25 Bilanțul energetic al unui cuptor cu
inducție electromagnetică cu creuzet. Pierderi în circuitul
electric 3 5%
Pierderi prin radiație
6 8%
Pierderi în bobina
inductoare 17 23%
Pierderi termice prin
pereții cuptorului
3 10%
În analiza bilanțului de energie electrică al unui cuptor cu inducție electro –
magnetică cu creuzet este necesar să se ia în considerație și pierderile care apar în
echipamentele destinate simetrizării sarcinii (în cazul instalațiilor funcționând la
frecvența rețelei de alimentare) sau limitării distorsiunii curbei tensiunii de alimen –
Audit energetic
30
tare (în cazul instalațiilor funcționând la medie frecvență).
Utilizarea convertoarelor statice pentru alimentarea cuptoarelor cu inducție
cu creuzet determină economii de energie electrică de 12 20% [8.9] față de alte
tipuri de surse. Frecvența de ieș ire a convertorului se autoadaptează pe durata
procesului de încălzire astfel încât se elimină necesitatea variației bate riei de
compensare.
Utilizarea căldurii reziduale a apei pen tru răcirea inductorului (fig. 8 .26) în
scopul încălzirii încărcăturii car e urmează a fi topită permite creșterea randa men-
tului întregului proces.
Fig. 8 .26 Utilizarea căldurii reziduale
pentru încălzirea încărcăturii. Benă cu
material
Schimbător de
căldură apă -aer Pompă
Cuptor cu
creuzet
8.2.3.3 Încălzirea în volum
Încălzirea în volum se realizează , în mod obișnuit , la frecvențe mici, cu un
bun randament al procesului. Alegerea frecvenț ei este un factor important în
funcțio narea instalațiilor de încălzire. Profilul de temperatură cerut (dorit) necesită
o frecvență la care adâncimea de pătrundere ajunge la 1/4 1/3 din diametrul
piesei. Frecvența necesară încălzirii de volum este cu atât mai mică cu cât piesa
este mai voluminoasă. Totuși, se poate lucra la frecvențe mai mari cu condiția ca
durata de încălzire să fie mai mare, astfel încât căldura să se poată propaga în
interiorul piesei. Există , totuși , pentru un diametru dat și un a numit material, o
frecvență recomandată, astfel încât regimul obținut să fie un regim economic.
Bilanțul energetic la încălzirea unui corp pentru tratarea ter mică este indicat
în figura 8 .27.
Principalele procese de prelucrare termică și temperaturile nec esare sunt
indicate în tabelul 8 .10 [8.10].
Consumul specific de energie w în funcție de tem peratura de încălzire în
vederea forjării, pentru diferite mate riale este indicat în figura 8.28 [8 .4]. Calita tea
produsului realizat prin procesare la ca ld depinde, în mare măsură, de asigurarea
încălzirii uniforme în secțiunea mate rialului. În acest sens, durata proce sului de
încălzire este corelată cu puterea disipată în obiect și conductivitatea sa termică.
Tehnologii electrice
31
Energie consumată
100%
7% pierderi în con –
vertorul de frecvență
1% pierderi în
condensatoare
energie
utilă
60%
izolație termică
inductor
20% pierderi 12% pierderi
electrice în termice
inductor
Fig. 8 .27 Bilanțul energetic pentru încălzirea prin inducție
electromagnetică a unor piese din oțel, la 1200°C.
Tabelul 8 .10
Temperaturile de încălzire (°C) pentru diferite procese tehnologice
Procedeul de
prelucrare la
cald Oțel carbon Oțel Cupru Aluminiu Titan
Forjare 1230
1300 1230
1300 870 450 930
Laminare 1260 1260 760…870 450 540 930
Extrudare 1230 1300 870 480 950
Consumul specific de energie w necesar încălzirii lingourilor în vederea
extrudării, în funcție de diametrul d al aces tora, este indicat în figura 8 .29.
Pentru frecvențe mai mici de 50
Hz, necesare încălzirii în volum prin
inducție electromagnetică , sunt utilizate
cicloconvertoare. Funcționarea acestora
este însoțită de apariția de armonice și
interamonice (componente sinusoidale
cu frecvență diferită de un mul tiplu
întreg al armon icii fundam entale). Pier –
derile în echipam entele pentru limi tarea
acestor perturbații trebuie să fie luate în
analiza bilanțului energetic al procesului.
În cazul instalațiilor alimentat e
direct din rețeaua electrică de ali men-
tare, factorul de putere dep inde, în cea mai mare parte , de fluxul de scăpări datorită
spațiului dintre bobina inductoare și corpul supus încălz irii. Ca exemplu, în figura
8.30 [8.4] sunt indicate valori ale factorului de putere în funcție de diametrul in –
terior al bobinei inductoar e d1 , diametrul exterior d2 și adâncimea de pătrundere .
w
[kWh/t]
400
300
200
100 0 200 400 600 800 1000
[C]
Fig. 8 .28 Dependența consumului
specific de energie în funcție de
temperatura de încălzire înaintea forjării. Aluminiu
și aliaje
de
aluminiu Cupru Oțel
Alamă
Audit energetic
32
w
[kWh/t]
400
350
300
250
200
150
100
50 100 150 200 d [mm]
Fig. 8 .29 Dependența consumului specific de energie w
de diametrul d al lingourilor pentru op erația de extrudare. Oțel
1100 1250C
Aluminiu
400 530C
Cupru
850 950C
Alamă
700 800C
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 2 4 6 8 10 12 d2/
Fig. 8 .30 Dependența
= f (d1/d2 ; d2 /). d1/d2 =
1,0
1,1
1,2
1,3
2,0
8.2.4 Încălzirea materialelor dielectrice
Caracteristic procesării materialelor dielectrice în câmpuri de înaltă frecvență
este faptul că degajarea de căldură ap are chiar în interiorul materialului care urmează
a fi încălzit. Dezvoltarea căldurii într -un corp dielectric este determinată de două
fenomene diferite: încălzirea directă prin rezistență, produsă de curentul de conducție
în rezistența de izolație a corp ului, și încălzirea asociată fenomenului de histerezis
dielectric și polarizare electrică în câmpuri electrice variabile în timp.
Câmpul electromagnetic variabil armo nic în timp, determină apariția , în
dielectric , a unui curent electric total J (de condu cție Jc și de deplasare Jp ) având
densitatea:
E)j ( j + E = J + J = Jr p c "εεεωσ0 (8.19)
în care este conductivitatea electrică a materialului, E intensitatea câmpului
electric în corpul de încălzit, pulsația câmpului electric ( = 2f ), 0
permitivitate a vidului ( 0 = 1/(49109) F/m),
r permitivitatea relativă a materialului
dielectric, " factorul de pierderi prin
histerezis al materialului. Diag rama fazorială
a mărimilor elec trice asociate proc esului este
indicată în figura 8 .31. Pe baza diagra mei din
figură se poate defini tan genta un ghiului de
pierderi dielectrice „tan ”
εεωσ"ε
δtan0
r +
=
(8.20)
și densitatea de volum a puterii pv într-un dielectric real E j0r
E 0”E E
h
Fig. 8 .31 Densitatea curentului
electric într -un corp solid,
determinată de o undă
electromag netică plană.
Tehnologii electrice
33
.δtanεεω )"εεωσ(2
020 E = E + =pr v (8.21)
În funcție de ponderea fenomenului care se aplică în procesul de încălzire a corpurilor
dielectrice sunt utilizate două procedee de încălzire a corpurilor dielectrice.
încălzirea în câmp electric de înaltă frecvență (capacitivă);
încălzirea cu microu nde.
8.2.4.1 Încălzirea în câmp electric de înaltă frecvență
Încălzirea capacitivă este specifică ma terialelor dielectrice cu un factor de
pierderi mai mare de 0,01 0,02 și care trebuie încălzi te uni form în întregul volum,
acolo unde alte metode nu satisfac condițiile impuse de viteză de încălzire și unifor –
mitate a temperaturii în produs .
La încălzirea în câmp electric de înaltă frecvență , disiparea de căldură
datorată fenomenelor de polarizație este practic nulă ( ” 0), astfel încât căldura
rezultată este determinată , practic , numai de conducția materialului aflat în câm p
electric. Din relația (8 .21) rezultă că puterea dezvoltată în material depinde de
pulsați a a câmpului electric aplicat, de factorul de pierderi rtan și de inten-
sitatea câmpului electric E.
Frecvențe le ISM ( Industrial , Medical and Scientific ) alocate de Uniunea
Internațională pentru Telecomunicații în cazul aplicații lor industriale în d omeniul
încălzirii cu înaltă frecven ță sunt indicate în tabelul 8 .11.
Tabelul 8 .11
Frecvențe utilizate la încălzirea în radiofrecvenț ă
Frecvența,
MHz Lungimea de undă în vid,
m Toleranța,
%
13,560 22,12 0,05
27,120 11,06 0,6
40,680 7,37 0,05
Intensitatea câmpului electric aplicat nu poate depăși 300 kV/m pentru a
evita eventualele descărcări electrice pe suprafața corpului procesat. În aceste
condiții, procesarea termică eficientă a cor purilor dielectrice rezultă pentru valori
ale factorului de pierderi rtan cuprinse între 0,01 și 1.
Pentru realizarea încălzirii unui corp dielectric de formă regulată, acesta este
plasat între doi sau mai mulți electrozi numiți aplicator , între care este aplicată o
tensiune înaltă, obținută de la o s ursă de înaltă frecvență (fig. 8 .32).
În funcție de natura și forma produsului de procesat, precum și de varianta de
încălzire (continuă sau discontinuă), există o mare diversitate de aplicatoare.
Surse le de radiofrecvență, utilizate pentru încălzirea capaci tivă, constau din
oscilatoare autoexcitate, cu una sau mai multe triode având tensiunea anodică de 5
15 kV furnizată de un red resor de înaltă tensiune (fig. 8 .32). Unitățile actuale
furnizează pî nă la 600 kW lucrând cu un randament electric de 55 70%.
Deoarece temperaturile de lucru sunt relativ scăzute și conductivitatea termică
a materialelor dielectrice este relativ mică, pierderile termice sunt reduse, iar
Audit energetic
34
randamentul general al procesului este determinat, în mare măsură, de randamentul,
încă redus, al sursei de alimentare de înaltă tensiune și înaltă frecvență.
1 2 3 4 Sursă de înaltă
frecvență
Adaptor
5
Aplicator 6
7
Fig. 8 .32 Schema bloc a unei instalații de încălzire
capacitivă; 1 transformator de înaltă tensiune; 2 redre –
sor; 3 oscilator; 4 circuit acordat; 5 circuit de cuplare;
6 circuit de adaptare; 7 sarcina.
Bilanțul energetic al procesului de încălzire este indicat în figura 8 .33, iar în
figura 8 .34 este i ndicată , ca exemplu, puterea necesară uscării lemnului prin încălzire
cu înaltă frecvență [8 .4].
Energie consumată
100%
Fig. 8 .33 Bilanțul energetic al unei instalații
de încălzire cu înaltă frecvență. Pierderi transformatorul
de înaltă tensiune 6%
Consum propriu (ventila –
ție, comenzi, control) 3%
Pierderi în sursa de
înaltă f recvență 27 37%
Pierderi termice 4%
Energie utilă
50 60% 0,001 0,002 0,005 0,01 0,02 tan /r
Fig. 8 .34 Încălzirea cu înaltă frecvență
a lemnului pv
[W/cm3]
2
1
0,5
0,2
0,1
0,05 lemn
(uscare) f = 40,68 MHz
f = 27,12 MHz
f = 13,56 MHz
Principalul avantaj al acestui sistem de încălzire constă în densități ridicate de
putere în material (300 5000 kW/m3 sau pân ă la 100 kW/m2 la încălzirea mate ria-
lelor plane) și posibilitatea unei încălziri selective a corpurilor dielectrice.
Principalele aplicații ale încălzirii cu înaltă frecvență a corpurilor dielectrice
sunt în industria textilă (un balot cu lână cu volum d e 1,2 2 m3 și masă de 150
400 kg poate fi incălzit în 3 minute într -o instalație cu puterea nominală de 30 kW, cu
un consum de 20 25 kWh); industria lemnului (uscarea uniformă a lemnului pentru
evita crăparea acestuia); industria alimentară (as igură eliminarea a circa 80 kg
apă/oră cu un consum de 1,2 1,4 kWh/kg apă evaporată); industria maselor
plastice; industria hârtiei (corectarea umidității la h ârtia de calitate superioară) [8 .9].
Tehnologii electrice
35
8.2.4.2 Încălzirea cu microunde
Încălzirea prin inte rmediul microundelor (sau în foarte înaltă frecvență) este
datorată fenomenului de histerezis dielectric în câmpuri electrice variabile în timp,
care are ca efect transformarea energiei electromagnetice în căldură.
Benzile de frecvențe ISM, pentru domeni ul microundel or, sunt indicate în
tabelul 8 .12.
Tabel ul 8.12
Benzile de frecvențe ISM
Banda Frecvența
centrală Regiunea Nota
433,05 434,79 MHz 433,92 MHz 1 fără
D, A, P, CH, YU a)
b)
866 906 MHz 896 MHz GB b)
902 928 MHz 915 MHz 2 b)
2400 2500 MHz 2450 MHz 1, 2, 3 b)
2325 2425 MHz 2375 MHz A, Bl, CS, H, P, RO
5275 5875 MHz 5800 MHz 1, 2, 3 b)
24 24,25 GHz 24,125 GHz 1, 2, 3 a)
61 61,5 GHz 61,25 GHz 1, 2, 3 a)
122 123 GHz 122,5 GHz 1, 2, 3 a)
244 246 GHz 245 GHz 1, 2, 3 a)
Notă:
a) Utilizarea acestei benzi este condiționată de obținerea unei autorizații;
b) Serviciile de radiocomunicații care funcționează în aceast a bandă trebuie să accepte
pertur bații determinate de aplicațiile ISM;
c) Regiunile sunt:
1 Europa, Africa, peninsula Arabică, Turcia, Orientul Mijlociu, Mongolia;
2 America de Nord, America de Sud;
3 celelalte țări.
În g eneral în țările europene sunt autorizate benzile de 2450 MHz,
5800 MHz și 22125 MHz. Ca urmare a costurilor
ridicate și a puterilor mai reduse ale echipa –
mentelor la 5800 MHz și 22125 MHz, frecvența
de 2450 MHz este cea mai folosit ă.
În princip iu, un echipament d e încălzire cu
microunde (fig. 8.35) are trei componente princi –
pale: generatorul de microunde (magnetron sau
klistron) care transformă energia electrică absor –
bită de la rețea în energie de microunde; ghidul de
unde, pentru transferul eficient al energiei electro magnetice de la anten ă la locul
unde are loc trans formarea în căldură; aplicatorul, în care energia microundelor
interacționează cu materialul de procesat.
Schema de principiu a unui magnetron, ca principala sursă de micround e (klis –
tronul este de fapt un amplificator de micr ounde) este indicată în figura 8 .36. Fig. 8.35 Schema de
principiu
a unei instalații cu microunde. Magnetro
n Pi
Anten
ă Ghid de undă Aplicator
Material
de încălzit
Audit energetic
36
Cavitățile rezonante din blocul anodic A determină oscilații electromagnetice și un
câmp de foarte înaltă frecvență , care împreună cu câmpul electric dintre anod și ca –
todul C , precum și cu câmpul magnetic axial B0 , determină ca deplasarea electro –
nilor în spațiul de interacțiune (dint re anod și catod) să se realize ze pe un traseu
complex. Pe parcursul deplasării, electronii transmit energia lor cinetică (acumulată
în câmp electrostatic) câmpului de foarte înaltă frecvență (microunde). Energia co –
respunzătoare este extrasă din una dintre cavitătile rezonante cu ajutorul unei bucle
de cuplaj IA , conectată cu antena aflată la începutul ghidului de undă. Apariția
electro nilor la catod este realizată prin încălzirea acestuia cu ajutorul unui filament.
230 V;
50 Hz T
Circuit încălzire
Circuit
înaltă tensiune D
C A
B0 C IA
Antenă
Circuit de
ieșire
Fig. 8 .36 Schema de principiu a unui magnetron
de 1300 W.
Aplicatorul poate avea diferite forme, în funcție de obiectul supus procesării:
tip cameră pentru procese staționare, cu fante radiante pentru pr ocese de defilare.
Bilanțul energetic al unei instalații de incălzire cu mi crounde este indicat în
figura 8 .37.
Tehnologii electrice
37
Energie consumată
100% (1300 W)
Fig. 8 .37 Bilanțul energetic al unei instalații de
încălzire cu microunde. Mici consumatori 2%
Iluminat 3%
Ventilație 3%
Pierderi în transformatorul
de înaltă tensiune 13%
Pierderi în magnetron 24%
Consum propriu (ventilație,
comenzi, control) 3%
Radiație reflectată
Energie utilă
49% Aplicator (incinta
rezonantă)
Principalele aplicații industriale actuale ale microundelor sunt: deconge larea
și prepararea cărnii, vulcanizarea cauciu curilor extrudate, preîncălzirea polimerilor
și uscarea prin microunde și vid a medicamentelor și a produselor chimice fine.
O comparatie între sistemele de încălzire a corpurilor dielectrice cu înalt ă
frecvență și cu micro unde este indicată î n tabelul 8 .13.
În tabelul 8 .14 sunt prezentați, comparativ, indicatori ai procesului de uscare,
pentru același produs, în cazul diferitelor tehnologii.
În tabelul 8 .15 sunt indicate, comparativ, valori ale puterilor specifice
caracteristice principalelo r procese electro termice.
Tabelul 8 .13
Caracteristici ale încălzirii în înaltă frecvență și în microunde
Nr.
crt. Caracteristica Încălzirea dielectrică în
înaltă frecvență Încălzirea în
microunde
1 Frecvența 13.56 MHz ( = 22,2
m)
27,12 MHz ( =11,1
m)
40,68 MHz ( = 7,4
m) 915 MHz ( = 32,8 cm)
2450 MHz ( =12,2 cm)
5800 MHz ( = 5,2 cm)
22125 MHz ( =1,4 cm)
2 r și tan trebuie să fie relativ
mari pot fi de valori reduse
3 Fenomenul care
determină încălzirea conducția ionică vibrația dipolilor sub
acțiunea câmpului electric
4 Adâncimea de
pătrundere mare mică sau medie
5 Dimensiunile pot fi relativ mari sau mici sau medii
Audit energetic
38
produsulu i variabile
6 Forma geometrică a
produsului regulată oarecare
7 Investiții 60% în sursa de
alimentare,
40 % în instalația de
încălzire De 1,5 2 ori mai mari ca
în cazul instalațiilor cu
înaltă frecve nță
40 % în sursa de alimentare,
60 % în instalația de
încălzire
8 Durata de viață a sursei 5.000 10.000 ore magnetron 2.000 5.000
ore
klystron 15.000 ore
9 Puterea unitară
maximă a sursei 900 kW pe înaltă
frecvență magnetron (2450 MHz)
10 kW în microunde
klystron (2450 MHz)
50 kW în microunde
Tabelul
8.14
Comparație între diferite tehnologii de uscare pentru materiale dielectrice
Tehnologia de
uscare Puterea nominală
a
echipamentului,
kVA Viteza de
deplasare a
produsu lui,
m/min Cantitatea
de
apă
eliminată ,
kg/oră Spațiul
ocupat de
echipament ,
m2
Rezistență
electrică
exterioară 10 35 1,5 6,5
Radiații infraroșii 18 38 1,65 0,45
Înaltă frecvență 7,2 38 1,65 1,5
Microunde 6 55 2,45 0,55
Tabelul 8 .15
Puteri specifice caracteristice proceselor elect rotermice
Nr.
crt. Tehnologii de încălzire Fluxul termic specific ,
kWm2
1 Încălzire indirectă cu rezistoare electrice 5 60
2 Încălzirea materialelor dielectrice cu înaltă
frecvență 30 100
3 Încălzirea cu radiații înfraroșii 10 300
4 Încălzirea materialelor dielectrice cu microunde 50 500
5 Încălzirea cu inducție electromagnetică 50 5104
6 Încălzirea directă cu rezistență electrică 100 105
7 Încălzirea cu arc electric 103 5105
8 Încălzirea cu jet de plasmă 103 5106
9 Încălzirea cu fascicul de electroni 104 1010
10 Încălzirea cu laser 105 1016
Tehnologii electrice
39
8.3 Procese electrochimice
Utilizarea industrial ă a proceselor electrochimice a fost posibil ă odată cu
apari ția electronicii de putere, a surselor statice de tensiune continu ă de putere
ridicat ă. În industria modern ă, consumul energetic al procesel or electro chimice
poate atinge 25 30% din energia electric ă consumat ă [8.2].
Principalele domenii de utilizarea în industrie a proceselor electrochimice
sunt [8 .3]:
prelucrarea dimensional ă;
producerea metalelor (extragerea și rafinarea);
obținerea ox igenului, hidrogenului, clorului, sodiului, florului, unor s ăruri
metalice și nemetalice etc.;
sinteza electrochimic ă a unor substan țe organice și anorganice;
depunerea de straturi (pelicule) metalice pe suprafa ța unor corpuri;
tratarea suprafe țelor (decapare, polizare, degresare etc.);
realizarea de surse chimice de tensiune continu ă (elemente galvanice, acu –
mulatoare electrice).
Extragerea aluminiului prin electroliz ă este unul dintre marii consumatori de
energie e lectrică. Ea va este analiz ată în continuare, din punctul de vedere al
eficienței energetice.
În principiu, extragerea aluminiului este un proces de descompunere
electrolitic ă a aluminei (oxid de aluminiu Al 2O3 , obținută, în cele mai multe cazuri,
din bauxit ă) cu depunerea alumini ului la catod și eliminarea unor compuși ai
oxigenului cu carbonul din electrozi.
Schema de principiu a unei cuve electrolitice pentru extragerea aluminiului
este prezentat ă în figura 8.38.
Pentru reducerea temperaturii de topire a aluminei, aceasta se diz olvă în criolit
(Na 3AlF 6). Tehnologiile actuale performante de producere a aluminiului se bazeaz ă
pe electroliza aluminei într-o baie de criolit. Topirea crioli tului pur are loc la o
temperatur ă de 1200C, dar utilizarea de aditivi (AlF 3; CaF 2; LiF) și o concentra ție
a aluminei de 2 7% permit reducerea temperaturii de topire la 940 980C.
+ 1
2 3 4
5
6
7
8
9 10
Fig. 8 .38 Electrolizoare pentru extragerea aluminiului. 1
10 I I
2 3 4
5
6
7
8
9
Audit energetic
40
Criolitul , singurul solvent pentru alumin ă, are însă dezavantajul c ă este
foarte corosiv, atac ând toate materialele refractare u zuale. Din aceast ă cauză,
interiorul electrolizoarelor pentru aluminiu este placat cu grafit, care realizeaz ă și
catodul configura ției, conectat la polul negativ al sursei de alimentare.
Anozii 2 ai cuvei electrolitice ( în fig. 8 .38 este reprezentat ă o „serie” de dou ă
electrolizoare, fiecare cu un șir dublu de anozi) sunt conecta ți la polul pozitiv 1 al
sursei de alimentare.
Alumina 3, sub formă de pulbere , este introdus ă prin partea superioar ă a
cuvei și se dizolv ă treptat în solu ția 4. Electrolitul 4 este supus c âmpului electric
dintre anod și catod, realiz ându-se astfel separarea electric ă a ionilor și dirijarea lor
către electrodul de semn opus.
Interiorul cuvei este placat cu grafit 7, iar pierderile termice sunt limitate cu
ajutorul izola ției te rmice 9. Pentru a asigura limitarea proceselor de poluare a
mediului ambiant , cuvele electrolitice sunt închise cu capacul 10, iar gazele
rezultate sunt filtrate și evacuate.
Necesitatea reducerii consumurilor specifice de energie electrică a condus la
utilizarea de cuve electrolitice parcurse de curen ți din ce în ce mai inten și, astfel c ă
tehnolo giile actuale ajung la 300.000 A, fiind folosite cuve paralelipipedice, cu
lungime de 9 12 m, l ățime de 3 4 m și o înălțime de 1 1,2 m, din o țel placa t
cu grafit [8.12]. Densitatea de curent electric prin anodul din c ărbune este limitat ă
la valori sub 1 A/cm2 (pentru a limita pierderile de energie electric ă în anozi), astfel
încât, în mod obișnuit, fiecare baie cuprinde un șir dublu de anozi conecta ți în
paralel.
Sub ac țiunea c âmpului electric dintre anod și catod are loc descompunerea:
3 32 AlO Al OAl
Ionul de aluminiu se deplaseaz ă spre catod , unde se neutralizeaz ă electric, iar
metalul topit 6 se depune pe fundul b ăii, de unde este extras pe riodic cu ajutorul
unei instala ții cu vid.
Ionul negativ , ajung ând la anodul din grafit , se neutralizeaz ă electric și
determin ă apari ția oxidului de aluminiu și degajarea de oxigen:
2 32 3 O3 OAl2e4 AlO4
Oxidul de aluminiu reintr ă în baia topit ă, iar o xigenul reac ționeaz ă cu
carbonul din anod, rezult ând un amestec de oxid și dioxid de carbon.
În acela și timp cu separarea oxidului de aluminiu, sub ac țiunea c âmpului
electric, în baia lichid ă se mai produc și reacții secundare, care determin ă reducerea
randamentului procesului și formarea pe p ărțile laterale ale b ăii a unei cruste solide
5, numit ă taluz.
Sarcina electric ă teoretic ă Qt , necesar ă pentru a depune la catod o mas ă m de
substan ță, este dat ă de legea electrolizei (Faraday)
kmQ / , (8.22)
în care echivalentul electrolitic k pentru aluminiu are valoarea de 0,3356 g/Ah.
Masa real ă depus ă mr, pentru o sarcin ă electric ă Qt rezult ă prin înmul țirea
masei teoretice m cu randamentul de curent CE , în %, ( current efficiency ):
m mCE
r100. (8.23)
Tehnologii electrice
41
Pentru electrolizoarele obișnuite randamentul CE are valori de 82 92%.
Deoarece , în func ționarea electrolizorului poate s ă apară periodic efectul
anodic, pe durata c ăruia nu are loc proces de depunere de aluminiu, se intro duce un
randament de timp TE (time efficiency ), având valori de peste 0,9. În mod
obișnuit, se poate consider a că TE = 0,95 .
Tensiunea la bornele electrolizorului este egal ă cu suma dintre tensiunea
teoretic ă de descompunere e = 1,65 V a solu ției la temperatura de lucru, c ăderea de
tensiune în electrolit 1,5 1,6 V și căderea de tensiune la electrozi, la contacte și
în circuitul de alimentare 0,9 1,1 V. În acest fel, rezult ă că tensiunea U la bornele
unui elec trolizor este de 4,05 4,25 V , iar consumul real de energie Wr , pentru
obținerea u nui kilogram de aluminiu este :
TE CEt
rQUW. (8.24)
Randamentul electric al unui electrolizor EE [%] ( energy efficiency ) rezult ă
din rela ția:
Ue
tIUtIeTE CE TE CE
WW
EEtu 100
. (8.25)
Cu v aloril e indicate mai sus, se obține EE 31%.
În rela ția (8.25), Wu este energia util ă, iar Wt energia total ă utilizat ă pentru
obținerea unei cantit ăți de aluminiu.
Pentru ob ținerea unei tone de aluminiu, în instala țiile actuale de electroliz ă,
se consum ă circa 15000 MWh energie electric ă, 1,9 2,0 t alumin ă, 50 70 kg
criolit, 20 30 kg florid de aluminiu, 0,55 0,6 t de mas ă anodic ă și alți diferi ți
fondan ți. În instalaț iileactuale , consumul specific de energie electric ă poate fi
redus , prin măsuri organizatorice, până la 12,5 M Wh/t [8 .12].
În analiza energetic ă a tehnologiilor moderne de producere a aluminiului, ca
mărime de referin ță se consideră energia electric ă necesar ă obținerii aluminiului în
procesul de electroliz ă. Pentru o analiz ă energetic ă complet ă, este necesar , însă, să
se ia în considera ție, atât procesele anterioare de producere a aluminei , cât și
procesele ulterioare, de rafinare și turnare a aluminiului.
În figura 8 .39 este prezentat bilanțul de energie al unui electrolizor. Se
observă faptul că o parte de energi e (24,1%) este preluată din reacțiile exoterme la
anozii din cărbune ai instalației.
Audit energetic
42
Energie totală consumată
100%
Fig. 8 .39 Bilanțul energetic simplificat al unui electrolizor pentru extragerea
aluminiului. Energie utilă
51,7% Cuva electrolitică Energie electrică
75,9% Energie
termică
24,1% Pierderi prin gaze
arse 6,9%
Pierde ri termice
31,6 %
Pierderi prin gaze
de cuptor 2,9% Pierderi în
circuitul electric
5,7%
Pierderi
în redresor
1,2% Energie electrică
în electrolizor 69%
Energie Căldură
electrică 46%
de
reacție
23% Căldură în
electro lizor
31,6%
Sursele de alimentare trebuie s ă asigure valorile necesare ale curentului
electric, în condi țiile unei d urate de func ționare anual ă de peste 8000 ore. Este
necesară o fiabilitate ridicat ă a componentelor instala ției de alimentare (transfor –
matoare cobor âtoare, redresoare, sisteme de reglaj etc.) și posibilitatea reglajului în
limite largi a tensiunii de ieș ire. Pentru limitarea nivelului armoni celor sunt utili –
zate sisteme de redresare cu 12, 24, 48, 60 sau 72 pulsuri.
Principalele direc ții privind reducerea consumurilor specifice de
energie electric ă în instala țiile actuale de producere a aluminiului sunt :
creșterea intensit ății curentului în circuitul tehnologic peste 300 kA;
creșterea randamentului de curent CE până la circa 0,96;
reducerea tensiunii la bornele electrolizorului p ână la 3,8 V.
Cu aceste m ăsuri se consider ă că în instala țiile noi pentru producerea
aluminiului, în procesul de electroliz ă, consumul specific poate fi de circa
11,9 kWh/kg.
În afara aluminiului, procesele de electroliz ă sunt utilizate și pentru pro –
Tehnologii electrice
43
ducerea hidrogenului, oxigenului, clorului, nichelului, cuprului rafinat, magne –
ziului, titanului, plumbului, zincului. O serie de date privind procesele pentru
obținerea unor materiale prin electroliz ă sunt indicate în tabelul 8 .16 [8.13].
Tabelul 8 .16
Caracteristici ale proceselor de electroliz ă pentru ob ținerea unor materiale
Material Electrolit Temperatura de
procesare ,
C Tensiunea la
bornele b ăii,
V Consum specific
de energie
electric ă,
kWh/kg
Ca CaCl 2 800 20 30 45
Li LiCl + KCl 420 430 6 28 30
Mg MgCl 2 670 730 5 6 14 16
Na NaCl + CaCl 2 570 590 6 7 10 11
Cl 1,8 2,2
Ti 24 26
Pb 0,115
Zn ZnSO 4 + H 2SO 4 35…40 3,5
Ni 4,0
Cu
(rafinare) CuSO 4 + H 2SO 4 60 0,3 0,35 0,2 0,38
O și H
(se proce –
sează
împreun ă
) pentru 1 m3 de H
și
0,5 m3 de O;
5,5 kWh
8.4 Tehnologii electrice speciale
Tehnologiile electrice speciale se referă la un grup de procese în care
energia electrică participă nemijlocit și se transformă în alte forme de energie,
la locul realizării procesului te hnologic. Fenomenele fizice care stau la baza
acestor procese sunt cele care apar la trecerea curentului electric prin metale,
materiale dielectrice și semiconductoare, gaze și lichide.
În urma proceselor electrotehnologice se pot obține produse metalice și
nemetalice, cu forme și dimensiuni comandate, pot fi realizate procese de tăiere și
sudare a materialelor, schimbarea proprietăților fizico -mecanice a suprafeței
pieselor etc.
Principalele tehnologii cuprinse în această cat egorie sunt indicate în fi gura
8.40 [8 .14].
8.5 Concluzii
Tehnologiile electrice sunt larg întâlnite în industria modernă, determinând,
în principal, a calitate ridicată a produselor realizate, efecte reduse asupra mediului
Audit energetic
44
ambiant și condiții corespunzătoare de muncă pentru person alul de deservire.
Eficiența energetică a proceselor electrice, comparativ cu alte tipuri de
procese, în special a celor utilizând gaze naturale, trebuie făcută plecând de la
combustibil. În acest sens, randamentul energetic al tehnologiilor electrice est e
afectat de randamentul de producere a energiei electrice în centrale. Odată cu
implementarea noilor tipuri de centrale electrice, cu randamente care pot depăși
50% , tehnologiile electrice devin competitive și din punct de vedere energetic.
Alegerea tehn ologiilor electrice în multe cazuri nu este determinată numai de
dimensiunea energetică a problemei, ci de avantajele legate de utilizarea acestora.
Fig. 8 .40 Tehnologii electrice speciale. Metode electrice speciale de
prelucrare a materialelor
Acțiunea chimică a
curentului electric
Acțiunea termică și dinamică a
curentului electric Acțiunea mecanică a
curentului electric și a
câmpului electr ic Prelucrarea electrochimică
Prelucrarea anodo -mecanică
Tratarea electrochimică a suprafețelor
Galvanotehnica
Prelucrarea cu scântei electrice
Prelucrarea cu impulsuri electrice
Prelucrarea electromecanică
Modificarea suprafețelor cu scântei electrice
Prelucrarea cu fascicul de electroni
Prelucrarea cu fascicul laser
Prelucrarea cu ultrasunete
Prelucrarea cu șocuri electrice
Prelucrarea în câmpuri magnetice intense
Electroforeza în câmpuri ele ctrice
Se utilizează fenomene
de eroziune electrică
Obținerea parametrilor optimi ai procesului electric necesită a calitate rid icată
a energiei electrice. În același timp, cele mai multe dintre echipamentele destinate
tehnologiilor electrice, în principal datorită circuitelor de reglare și adaptare
optimală la procese, determină perturbații electromagnetice (deformarea curbelor
curentului electric și a ale tensiunilor de alimentare, factor de putere redus, goluri
de tensiune, nesimetrii, flicker). Limitarea acestor perturbații, pentru a nu afecta
calitatea energiei electrice furnizată altor consumatori , impune prezența unor
Tehnologii electrice
45
echipam ente specializate. În analiza energetică a procesului electric este necesar a
lua în considerație și pierderile determinate de prezența acestor echipamente.
Cunoașterea în profunzime a tehnologiilor de prelucrare , în cadrul între –
prinderii aud itate, precu m și a principalelor direcții de evoluție a acestora pe p lan
mondial, permite auditorului energetic să transmită propuneri deosebit de utile, cu
importante reduceri ale consumurilor specifice și efecte economice benefice.
Evoluția rapidă a tehnologiilor, î n toate ramurile indutriale, impune ca un
auditor, înainte de a începe analiza energetică a întreprinderii , să se documenteze în
amănunt privind stadiul actual și de perspectivă al acestora. Cele mai eficiente
soluții prezentate în cadrul unui audit sunt c ele legate de adaptarea sau schimbarea
tehnologiilor.
Bibliografie
[8.1] Metaxas A.C., Foundatio ns of Electroheat , John Wiley & Sons, Chichester, New
York, 1996.
[8.2] Golovanov N., Șora I., Electrotermie și electrotehnologii , vol. I Electrotermie ,
Editura Tehnică, București, 1997.
[8.3] Rudolf M., Schaefer H., Elektrothermische Verfahren Grundlagen , Tehnologien ,
Anwendungen , Springer Verlag, Berlin 1989.
[8.4] Comșa, D. Instalații electrotermice industriale. Vol.I și II. Editura Tehnică, București,
1986.
[8.5] Altgauzen, A., P. ș.a. Elektrotemiceskoe oborudovanie. Spravocinik. Energia, Moscova, 1980.
[8.6] Falotă H., Electrotermii și Electrotehnologii industriale , vol I și vol. II, Editura
Universității „Lucian Blaga”, Sibiu, 2002.
[8.7] Falotă H., Ghid de proiectare . Aplicații electrotehnologice industriale , Editura
Universității „Lucian Blaga”, Sibiu, 2002.
[8.8] Prisăcaru, V. și Ponomarev, B. Radiații infraroșii și aplicații industriale . Editura Tehnic ă,
București, 1972.
[8.9] Orfeuil, M. Electr ic Process Heating. Technologies. Equipment. Applications . Battelle Press,
Columbus USA, 1987.
8.10 Davies E.J.,Simpson P. Induction Heating Handbook, McGrow Hill Book Co UK 1979.
[8.11] Mocanu C.I., Bazele electrotehnicii . Teoria câmpului electromagneti c, Editura Didactică și
Pedagogică, București, 1991.
[8.12] Bailleux C. Approche d’un bilan énergétique global de l’aluminium . CNE, Neptun,
1994, pg.81 89.
[8.13] Gavrila ș I., Marinescu N.I. Prelucr ări neconven ționale în construc ția de ma șini.
Editura Tehnic ă, Bucure ști, 1991.
[8.14] Șora I., Golovanov N., Electrotermie și electrotehnologii , vol. II Electrotehnologii ,
Editura Tehnică, București, 1997.
9
9.1 Aspecte generale
Progresele înregistrate în reducerea consumu rilor de energie electric ă
pentru iluminatul artificial of eră auditorilor posibilitatea să propună o largă
gamă de soluții eficiente, cu importante reduceri de energie electric ă, în
condițiile menținer ii confortului luminos. Cunoașterea noilor tipuri de surse
de lumină artificială și uti lizarea lor eficientă permit compararea
consumurilor actuale cu cele care corespund noilor soluții și evaluarea
economiilor posibile.
Iluminatu l artificial reprezintă una dintre componentele de bază ale
realizării unor condiții normale de viață (muncă, odihnă, divertisment,
circulație, studiu etc.) în condițiile în care iluminatul natural nu asigură
nivelul necesar de iluminare.
Alegerea nivelulu i de iluminare și calitatea aceste ia influențează , într-o mă –
sură importantă , eficiența întregii activități umane , cu efecte benefice asupra nive –
lului de sănătate . Un iluminat de calitate are un efect psihologic important, oamenii
au o eficiență în muncă mai ridicată și un grad mai coborât de oboseală .
Criteriul principal de evaluare a unui sistem de iluminare modern și eficient
este realizarea unui mediu luminos confortabil, cu un consum minim de energie
electri că, cu utilizarea cât mai intensă a ilumina tului natural și cu o investiție
minimă [9.1] .
Principalii parametri de evaluare a calității sistemelor de iluminat electric:
nivelul de iluminare;
neun iformitatea iluminării;
nivelul luminaței;
neuniformitatea luminațelor
culoarea luminii;
direcționarea luminii;
reliefarea tridimensională;
nivelul efectului stroboscopic;
nivelul zgomotului acustic al instalației de iluminat;
perturbații asupra rețelei electrice de alimentare.
Aspectele legate de realizarea unui mediu luminos c onfortabil nu trebuie se -ILUMINATUL ELECTRIC
226 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
parate de aspectele economice și , mai ales , de costurile privind energia electrică
consumată. În acest sens, auditor ul energetic trebuie să considere iluminatul
electric ca un receptor de energie electrică la care aspectele lumin otehnice, ener ge-
tice, economice și estetice trebuie analizate împreună.
Deși costul energiei electrice consumate este important, reducerea nivelului
de iluminare sau reducerea nivelului de calitate , în scopul reducerii consumului
total de energie electr ică, determină costuri mult mai importante ca urmare a
cheltuielilor indirecte.
Iluminatul electric este unul dintre consumatorii importanți de energie
electrică din cadrul unităților comerciale, social -culturale, administra tive, de sănă –
tate, școlare etc . și în factura de energie electrică a acestor categorii de utilizatori
consumul în instalațiile de iluminat poate reprezenta până la 50%. În cadrul uni tă-
ților industriale ponderea consumului de energie electrică pentru iluminatul arti fi-
cial nu este fo arte importantă, însă realizarea unui iluminat adaptat proceselor de
producție are un efect deosebit asupra productiv ității muncii, asupra nivelului de
calitate al produselor realizare și asupra nivelului d e sănătate al personalului
muncitor.
Deși este m ai dificil de evaluat, este necesar a lua în considerație și aspectul
estetic al sistemelor de iluminat, care , deși nu determină o soluție optimă din punct
de vedere al consumului de energie electrică, poate conduce la efecte importante
prin realizarea unu i climat de muncă îmbunătățit .
În analiza sistemelor de iluminat artificial este necesar a avea în vedere
faptul că iluminatul natural este ideal din punctul de vedere al activității umane,
calitatea iluminatului artificial fiind evalu ată în funcție de gr adul de apropiere de
cel natural.
Nivelul de iluminare, calitatea și alegerea adecvată a sistemului de
iluminat interior pot influența într -o măsură importantă eficiența activității
umane. Unele sisteme de iluminat trebuie adaptate la aspecte fiziologice ale
ochiului (de exemplu lucrările de mecanică), iar altele trebuie să aibă în
vedere și o importantă componentă de psihologie umană (de exemplu în
școli sau în sălile de negocieri).
Mediul luminos interior este determinat de ansamblul factorilor
luminot ehnici, cantitativi și calitativi care concură la realizarea confortului vizual, a
funcționalității și esteticii în spațiul în care se desfășoară activități umane.
Iluminatul artificial are rolul de a asigura aceste funcțiuni pe durata în care
iluminatul n atural nu asigură parametrii de calitate ai iluminatului în zonă [9.2] .
Reducerea facturii energetice, în cazul instalațiilor de iluminat, se poate face
numai cu realizarea integrală a parametrilor luminotehnici impuși. Printr -un
management adecvat, respec tând această condiție de bază , este posibilă realizarea
unor importante economii în factura de energie electrică.
9.2 Caracteristici generale ale luminii
Spectrul de lumină corespunde unei părți a spectrului radiației electro –
magnetice, având lungimi d e undă cuprinsă între 380 și 760 nm (fig. 9.1). Spectrul
Iluminatul electric 227
radiațiilor vizibile reprezintă un segment foarte redus din întregul spectru, care mai
cuprinde radiațiile , radiații Röntgen, radiații infraroșii, radiații ultraviolete ș.a.
Radiațiile din spectrul 380 760 nm determină o senzație fiziologică specifică
asupra ochiului uman, numită lumină.
Ochiul uman percepe în mod diferit componentele spectrului vizibil, pentru
fiecare dintre acestea asociindu -se senzația de culoare (tabelul 9.1). Radiația
electromagnetică vizibilă care are o anumită lungime de undă este monocromatică.
10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 106 108 λ [m] Radiații cosmice, Raze γ
Raze Röntgen
Ultraviolet Lumină Infraroșu
Microunde
Unde decimetrice
Unde ultrascurte
Unde scurte
Unde medii
Unde lungi 380 400 450 500 550 600 650 700 750 λ [nm]
Fig. 9 .1 Spectrul undelor electromagnetice. Violet
Bleu
Verde
Galben
Roșu Portocaliu
Tabelul 9.1
Sensibilitatea spectrală a ochiului uman
Lungimea de
undă , nm
Culoarea
380 430 Violet
430 485 Bleu
485 570 Verde
570 600 Galben
600 610 Portocaliu
610 760 Roșu
Lungimea de undă a unei radiații electromagnetice monocromatice poate fi
determinată din rela ția
fc, (9.1)
în care c este viteza luminii (viteza de propagare în vid), iar f frecvența radiației
(c 3108 m/s în vid; 2,25 108 m/s în apă și 2 108 în sticlă).
În realitate , culoarea se realizează prin suprapunerea radiațiilor vizibil e cu
228 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
diferite lungimi de undă emise de sursa de lumină.
În tabelul 9.2 este indicată clasificarea surselor tehnice de lumină în funcție
de culoare, conform CIE (Comisiei Internaționale de Iluminat) [9.2] . Culoarea unei
surse de lumină se caracterizează pr in temperatura sa de culoare. Temperatura de
culoare a unei surse de lumină se definește ca fiind temperatura (în K) a corpului
negru, a cărui radiație are aceeași culoare cu cea a sursei de lumină analizate.
Lumina zilei rezultă din radiația termică a s oarelui în urma filtrării prin
atmosfera pământului. Radiația termică a soarelui cuprinde un spectru continuu cu
lungimi de undă cuprinse între circa 300 și 4500 nm , având o temperatură medie de
culoare de 5000 K (pentru Europa).
Tabelul 9.2
Culoarea unei surse de lumină
Definiție conform
CIE Domeniul temperaturii de
culoare
Grupa 1 (cald) < 3300 K
Grupa 2 (mediu) (3300 5000/5300) K
Grupa 3 (rece) > 5000/5300 K
9.2.1 Mărimi și unități fotometrice
Pentru c aracterizarea surselor de lumină artificială sunt utilizate o serie de
mărimi fotometrice, cărora le corespund unități de măsură specifice . Aceste mărimi
sunt luate în considerație la analiza consumurilor de energie electrică pentru ilumi –
natul artificial.
Toate corpurile având o temper atură peste 0 K radiază energie, î nsă numai
radiațiile care sunt percepute de către ochiul uman corespund energiei luminoase .
Fiecare sursă de lumină emite o anumită energie luminoasă W. Aceasta nu este o
mărime obiectivă, f iind energia (obiectivă) a unei radiații electromagnetice , dar
validată (subiectiv ) de către ochiul uman.
Energia radiată în unitatea de ti mp (puterea radiată) și percepută de către
ochiul uman se definește ca fiind fluxul luminos
tW
dd, (9.2)
Unitatea de măsură, lumenul (lm), corespunde unui flux luminos emis de o
sursă monocromat ică cu lungimea de undă de 555, 5 nm ( f = 540,0154 1012 Hz) și
care consumă 1/683 W [9.2] . Altfel spus, rezultă un flux de 1 lm în cazul unei
transfor mări ideale a unei puteri de 1/683 W, absorbită de o sursă de lumină care
emite o radiație monocromat ică cu
lungimea de undă de 555, 5 nm (galben).
Toate celelalte mărimi fotometrice
se raportează la fluxul luminos. Această
mărime este foarte importantă pentr u
auditori deoarece f luxul luminos defi –
nește caracte risticile energetic e ale surse –
lor de lumină fiind utilizat ă pentru deter –
minarea randa mentului și eficienței lumi –
noase a surse lor de lumină și a insta la-
p
p
380 555 760 λ
[nm]
Fig. 9 .2 Sensibilitatea spectrală.
Iluminatul electric 229
țiilor de iluminat.
Dacă o sursă de lumină emite o putere spectrală p (fig. 9.2), ochiul uman
„observă” în mod diferit fiecare lungime de undă. Sensibilitatea spectrală a ochi –
ului uman depinde , în mare măsură, de compoziția spectrală a luminii. Acesta nu
recepționează în mod egal toate radiațiil e luminoase. Maximul spectrului luminos
al ochiului uman corespunde lungimii de undă de 555,5 nm unde sensibilitatea
spectrală k prezintă o valoare unitară (maximă)
pk. (9.3)
Fluxul luminos poate fi determinat din relația :
nm760
nm380nm 760
nm380d d pk
. (9.4)
Eficiența luminoasă a unei surse de lumină (principala mărime care
definește caracteristicile sursei din punctul de veder e al consumului de energie
electrică) reprezintă raportul dintre fluxul luminos emis de sursă și put erea
absorbită din rețeaua electrică P de către sursa de lumină (fig. 9 .3)
0nm 760
nm380
dd
pP
. (9.5)
Eficiența luminoasă este un indicator economic al unei surse de lumină și
este principala mărime urmărită în cazul auditului energetic .
În cazul unei transformări ideale a energiei elec tri-
ce absorbite de o sursă care emite o lumină monocro ma-
tică cu lungimea de undă de 555, 5 nm rezultă o efi ciență
luminoasă = 683 lm/W. Această valoare este o mărime
de referință în ca racterizarea surselor de lumină
artificială, din punct de vedere al consumului de energie electrică. În realitate, sur –
sele actuale de lumină artificială au o eficiență lumi noasă mult mai mică. În tabelul
9.3 [9.3] sunt prezentate câteva exemple în acest sens.
Intensitatea lu minoasă I a unei surse de lumină (fig. 9.4), în direcția , se
definește ca fiind densitatea spațială a fluxului luminos. Ea se calculează raportând
fluxul luminos emis în direcția , raportat la unghiul solid în care are loc
emisia (densitatea spaț ială a fluxului luminos în direcția )
I. (9.6)
Intensitatea luminoasă determină fluxul de lumină emisă într -o anumită
direcție, fiind dependentă , în special , de suprafețele reflectante care asigură
orientarea luminii (de exemplu, u n reflector).
Unghiul solid poate fi calculat cu relația Sursă
electrică
de lumină
P
Fig. 9 .3 Rășpunsul
unei
surse electrice de
lumină.
230 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
2cos
rA, (9.7)
în care A este aria suprafeței iluminate, r distanța dintre sursa de lumină și
suprafața iluminată, iar unghiul dintre direcția razei luminoase la suprafața
iluminată și normala pe aceeastă suprafață (unghiul de incidență).
Unitatea de măsură a unghiului solid este ster radianul [sr], iar u nitatea de
măsură a intensității luminoase este candela [cd].
Sursele uzuale prezintă valori diferite ale intensității l uminoase pe diferitele
direcții. Es te posibil a atașa intensităț ii luminoase noțiunea de vector. Modulul
acestuia se deter mină din relația de definiție (9 .6), direcția este , iar sensul este
radial.
Tabelul 9.3
Eficiența luminoasă a unor s urse de lumină .
Sursa de lumină Eficiența luminoasă ,
lm/W
Lampa inițială Edison 1,4
Lampa cu incandescență 10 40
Lampa cu halogeni 20 45
Lampa fluorescentă 35 104
Lampa cu descărcare în vapori
de mercur de înaltă presiune
37 63
Lampa cu descărcare în vapori
de sodiu de înaltă presiune
54 153
Lampa cu descărcare cu
halogenuri metalice
80 125
Diode luminiscente (LED) sub 100
Repartiția în spațiu a intensității luminoase a unei
surse este o caracteristică importantă a unei surse de
lumină. Fiind cunoscută repartiția intensitătii luminoase
în spațiu (în plan) a unei surse pot fi determinate prin –
cipalele caracteristici foto metrice ale acesteia. Locul
geometric al vârfurilor vectorilor intensitate luminoasă
reprezintă corpul fotometric (în spațiu) sau curba foto –
metrică (în plan).
Pentru a obține curba fotometrică (în general ,
corpul fotometric) al unei surse de lumină este necesar să se măsoare intensitatea
luminoasă în diferitele dir ecții și, la o anumit ă scară, să se traseze locul geometric
al vârfurilor vectorilor corespunzători.
În mod obișnuit , curbele (corpurile) fotometrice sunt indicate de către furni -θ Q
α
ΔF r Δ
Ω
Fig. 9 .4 Intensitatea
luminoasă. Iα
n
Iluminatul electric 231
zorul sursei de lumină , valorile fiind date prin rapor tarea la o sursă standard de
1000 lm (unități relative ).
Valoarea reală a intensitătii luminoase, pentru o sursă de lumină, cu un flux
total , rezultă din relația
10000I I, (9.8)
în care I0 este valoarea indicată de constructorul sursei de lumină (pe curba
fotometrică) .
Ca exemplu, în fig ura 9 .5 este indicată o curbă fotometrică , determinată
experimental, pentru o sursă obișnuită de lumină artificială. În cazul în care datele
privind c urbele (corpurile) fotometrice nu sunt cunoscute, pot fi determinate prin
măsurătoare cu ajutorul luxmetru lui.
Nivelul de iluminare E definește fluxul luminos care ajunge pe suprafața
iluminată. Nivelul de iluminare este un criteriu folosit pentru calculul necesarului
de lumină și cu ajutorul lui se determină numărul de surse de lumină într -o zonă.
Unitatea d e măsură a nivelului de iluminare este luxul [lx].
110
100
90
80
70
60
50
40 120 130 140 160 180 160 140 130 120
110
100
90
80
70
60
50
40
30 20 10 0 10 20 30 30
60
90
120
150
180
210
240
270
300 cd I
Fig. 9 .5 Curba fotometrică pentru o sursă de lumină.
AEdd. (9.9)
Nivelul de iluminare reprezintă mărimea de bază pentru dimensionarea
instalațiilor de iluminat și pentru verificarea instalațiilor existente.
Acuitatea vizuală a ochiului uman depinde în mare măsură de nivelul de ilu –
minare a câmpului vizual. Odată cu creșterea nivelului de iluminare crește, în gene –
ral, și acuitatea vizuală. Un nivel de iluminare corespunzător pe planul de lucru de –
termină ran damentul activităților în zonă.
Valori tipice ale nivelului de iluminare în exterior sunt:
232 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
zi de vară însorită 60 000 100 000 lx;
zi de vară înnourată până la 20 000 lx;
zi de iarnă înnourată până la 3000 lx;
noapte cu lună pl ină până la 0,25 lx;
noapte senină cu stele până la 0,01 lx.
Pe baza informațiilor privind confortul vizual, a pierderilor indirecte
(reducerea randamentului de lucru, costurile cu sănătatea etc.), precum și a costului
instalației de iluminat poate fi determinată valoarea normată En a nivelului de
iluminare în fiecare loc de muncă (fig. 9.6). Aceste valori sunt indicate în Ghidul
Comisiei Internaționale de Iluminat (CIE Commision International de
l’Eclairage ) [9.2].
Pentru a asigura adaptare a vizuală, la trecerea de la o încăpere la alta, ni –
velurile de iluminare în diferitele puncte nu trebuie să aibă un raport mai mare de 5.
În tab elul 9 .4 [9.4] sunt indicate valorile minime ale nivelului de iluminare
pentru birouri și spații administrat ive.
Suprafața de lucru este un plan fictiv la care se referă măsurătorile privind
nivelul de iluminare. În general , acest plan este orizontal și plasat la 0,85 m dea –
supra podelei.
Costuri
Nivel de iluminare, [lx] Pierderi indirecte Investiții în insta –
lația de iluminat
Fig. 9 .6 Stabilirea nivelului de iluminare. En
Tabelul 9.4
Valori minime ale nivelului de iluminare în birouri și spații administrative
Tipul încăperii Valoarea minim admis ibilă
a nivelului de iluminare
Emin , lx Suprafața la care se
referă nivelul de
iluminare
Spații admin istrative și birouri,
săli de lec tură, sală de ședințe și
spații culturale
200
Nivelul suprafeței de
lucru
Spații pentru pregătirea,
distribuirea și preluarea mâncării
(bucătării, săli de mese, bufet)
200
Nivelul suprafeței de
lucru
Spații de baie, camere de
Iluminatul electric 233
îmbrăcare. toalete 75 Nivelul solului
Holuri cu scări, scări, rampe de
încărcare, coridoare principale,
casa scărilor
50
Nivelul solului
Alte culoare și scări 50 Nivelul solului
Reducerea nivelului de iluminare datorită îmbătrânirii și murdăririi instala –
ției de ilumina t poate fi luată în considerație prin intermediul factorului de menține –
re subunitar M (fig. 9.7) [9.5] . Rezultă, în acest fel, că este necesar ca, inițial , să fie
instalate mai multe surse de lumină, pentru ca după un anumit timp să rezulte
valoare a impusă a nivelului de iluminare. În cazurile practice, evaluarea factorului
de menținere pentru un loc de muncă specificat , întreținerea sistemului de iluminat
(stabilirea intervalelor pentru curățirea periodică a surselor de lumină) și momen –
tul înlocu irii lămpii uzate se stabilesc de către proiectantul sis temului de iluminat.
Realizarea acestor condiții are un rol important în asigurarea unui ambient lumino –
tehnic co respunzător valo rilor de proiectare.
Valoarea inversă a factorului de menținere M este factorul de depreciere
(tabelul 9 .5) [9.5].
Flux luminos inițial
Flux luminos real
Variația fluxului luminos în
lipsa întreținerii Limita inferioară admisă
Prima operație A doua operație Inlocuire t
de întreținere de întreținere lampă
Fig. 9 .7 Variația fluxului luminos datorită îmbătrânirii și
murdăririi sursei de lumină.
Repartiția nivelului de iluminare pe o suprafață este indicată prin curbe izo –
lux. Acestea reprezintă locul geometric al punctelor cu același nivel de ilumi nare.
Luminanța L este o măsură a senzației de strălucire asupra ochiului uman , a
unei suprafețe care emite sau reflectă lumină, determinând fenomenul de orbire.
Orbirea este definită ca fiind senzația de perturbare a vederii, datorită unei repartiții
necorespunzătoare a lu minanței și/sau a unui contrast prea ridicat al luminanțelor în
câmpul vizual al observatorului.
Tabelul
9.5
Factorul de menținere și factorul de depreciere
Reducerea nivelului de iluminare
datorită murdăriri i și îmbătrânirii
lămpilor, a instalațiilor de iluminat și a
Factorul de
menținere M Factorul de
depreciere
234 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
pereților încăperii
normală 0,8 1,25
ridicată 0,7 1,43
puternică 0,6 1,67
Luminanța L este definită ca raportul dintre intensitatea lum inoasă și aria
supra faței emițătoare (fig. 9.8)
cosdd
AIL
, (9.10)
în care este unghiul de observare și deter –
mină aria suprafeței vizibile a suprafeței
luminoase .
Unitatea de măsură este candela/m2
[cd/m2].
Repartiția lumin anțelor pe o supra față, într -un spațiu iluminat, este un
criteriu important pentru evaluarea calității mediu lui luminos.
Exemplu de valori ale luminanței în mediul încojurător sunt prezentate mai jos:
soare la amiază până la 150000 cd/cm2 ;
lampa cu incandescență 200 1200 cd/cm2 ;
lampă cu incandescență mată 2 5 cd/cm2 ;
lampă fluorescentă compactă 0,9 2,5 cd/cm2 ;
lampă fluorescentă tubulară 0,4 1,7 cd/cm2 ;
luna 0,25 cd/cm2 .
Confortul amb iental este determinat , în mare măsură , de o repartiție adecvată
a luminanțelor în câmpul vizual. În general , se consideră că se asigură un confort
vizual corespunzător pentru un sistem de iluminat caracterizat de factorul de
neuniformitate al nivelului de iluminare k1=Emin/Emed > 0,8 [ 9.5]. Asigurarea unei
repartiții adecvate a luminanțelor în câmpul vizual este unul dintre parametrii
calitativi cei mai importanți ai sistemelor de iluminat. Un raport mai mare de trei a
luminanțelor dintre două suprafețe al ăturate din câmpul vizual determină inconfort
fiziologic.
9.2.2 Legile fotometrice
Legile fotometrice prezintă relația dintre nivelul de iluminare E într-un punct
al suprafeței de lucru (nivel de iluminare punctual) și intensitatea luminoasă I a
unei surse de lumină, distanța r față de sursa de lumină și unghiul de incidență a
razei luminoase. Cunoașterea acestor legi și aplic area lor rațională permit evaluarea
unor soluții corecte pentru reducerea consumurilor de energie electrică, cu men ți-
nerea nivelului de confort luminotehnic la locul de muncă.
Legea pătratelor distanțelor arată că nivelul de iluminare pe o suprafață este
invers proporțional cu pătratul distanței dintre sursa de lumină și suprafa ță
iluminată (fig. 9.9)
n
dA α
dIα
Fig. 9 .8 Luminanța . Sursa de lumină
Ochiul
uman
Iluminatul electric 235
2
12
2
21
rr
EE
. (9.11)
Legea cosinusurilor exprimă faptul că nivelul de iluminare pe o suprafață
este direct proporțional cu cosinusul unghiului de incidență (fig. 9.10)
21
21
coscos
EE. (9.12)
Nivelul de iluminare maxim rezultă în cazul incidenței perpendic ulare a
razei luminoase pe suprafața iluminată.
Iα
α
n
n
θ
θ r1
r2
Fig. 9 .9 Legea pătratelor
distanțelor.
Br
en
nst
ellIα
α
2n
1n
θ2 θ1 r
Fig. 9 .10 Legea cosinusurilor. dA
Legea lui Lambert se referă la suprafețele luminoase difuze și uniform
radiante, prezentând astfel valori ale luminanței egale în toate direcțiile .
În cazul surselor care respect ă legea lui Lambert, din relația (9.10) rezultă
cos d dmax I I , (9.13)
în care Imax este intensitatea luminoasă emisă pe o direcție perpendiculară pe supra –
fața sursei luminoase, iar I intensitatea luminoasă emisă în direcția .
Intensitatea luminoasă scade cu cosinusul unghiului direcției razei luminoase
față de normala la suprafață.
9.2.3 Măsurarea nivelului de iluminare
Evaluarea unui sistem de iluminare, în cadrul auditului energetic, după
realizarea unui proiect , dar și pe durata f uncționării se face experimental prin
măsurarea nivelului de iluminare cu ajutorul unui luxmetru . Echipamentul de
măsurare a nivelului de iluminare constă , în principiu , dintr -un receptor fotoelectric
(celulă fotoelectrică) și un instrument indicator (f ig. 9.10).
Pe o placă 1 din oțel este plasat un
disc 2 din seleniu. Stratul semitransparent 3,
din aur sau platină , permite ca lumina să
cadă pe discul din s eleniu. Atunci când pe
discul din seleniu ajunge fluxul , între
șaiba metalică 4 și placa 1 din oțel trece
curentul electric I proporțional ca valoare cu
fluxul . Șaiba metalică 4 are o pola ritate 5
4
3
2
1
μA I Φ
Fig. 9 .10 Luxmet ru. R
236 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
negativă, iar placa 1 polaritate pozi tivă. Deoarece aria suprafeței iluminate rămâne
constantă și este cunoscută, intensitatea curentul ui electric I este proporțională cu
nivelul de iluminare, iar echipamentul p oate fi etalonat direct în lux . Rezistorul R
este utilizat pentru etalonarea echipa mentului ca luxmetru.
Fluxul incident parcurge filtrul 5 care permite ajustarea sensibilității
spectrale a seleniul ui în raport cu sensibilitatea spectrală a ochiului uman.
Luxmetrul poate fi utilizat și pentru măsurarea intensității luminoase. Pentru
aceasta este necesar a fi cunoscută distanța r între sursa de lumină și suprafața ilu –
minată precum și unghiul de inc idență .
Pe durata măsurătorilor este necesar a lua în considerație , cu exactitate ,
unghiul de incidență sau, mai simplu , se urmărește realizarea unui unghi = /2
(rezultă valoarea maximă a indicației echipamentului de măsurare).
Măsurarea nivelului de iluminare , pe durata auditului energetic, prezintă un
interes deosebit pentru evaluarea instalațiilor de iluminat, pentru compararea
valorilor impuse cu cele reale ale nivelului de iluminare și pentru adoptarea de
măsuri necesare îmbunătățirii sistemul ui de ilum inat.
9.2.4 Redarea culorilor
Redarea culorilor este un criteri u important de evaluare a calității luminii,
indicând cât de „corectă” i se pare unui observator culoarea corpurilor ilumi nate
artifi cial. Culoarea corpurilor este considerată „corectă” atunci când acestea sunt
privite la lumina naturală.
Esențial pentru calitatea redării culorilor într -o instalație de iluminat este
spectrul radiației sursei de lumină.
Indicele Ra de redare a culorilor definește caracteristicile de redare ale
culorilor de către surselor de lumină artificială (tabelul 9.6) [9.6] . Nivelul 1A
definește cea mai ridicată capacitate de redare a culorilor și este cerut la
încercare/controlul culorilor. În încăperile cu birouri, în general, este suficient
nivelul 1B.
Tabelul 9.6
Nivele de redare a culorilor Ra
Caracteristici Nivel de redare a
culorilor Indicele de redare a
culorilor
Foarte bune 1 A 90 100
1 B 80 90
Bune 2 A 70 80
2 B 60 70
Medii 3 40 60
Slabe 4 20 40
Nedefinite < 20
9.3 Corpuri de iluminat
Corpurile de iluminat au rolul de a dirija și redistribui fluxul luminos al unei
Iluminatul electric 237
surse de lumină și de a asigura protecția contra orbirii. Acestea trebuie să realizeze
și o funcție estetică, având în vedere că forma, poziția și implementarea lor într -un
spațiu trebuie să armon izeze cu arhitectura zonei.
Corpurile de iluminat trebuie să asigure modificarea luminaței și a curbei
fotometrice a unei lămpi pentru a obține caracteristici fotometrice optimale în
funcție de scopul propus.
Corpurile de iluminat au și funcții de prote cție și siguranță, necesare în
zonele în c are sunt plasate. De asemenea, corpurile de iluminat asigură posibilitatea
conectării elementelor auxiliare necesare funcționării lămpii.
Eficiența sursei de lumină depinde în mare măsură de randamentul corpului
de iluminat A , definit ca raportul dintre fluxul luminos A emis de corpul de
iluminat și fluxul luminos l emis de lampa (lămpi)
lAA, (9.14)
În calculele practice eficiența luminoasă C a unui corp de iluminat (LER
luminaire effi ciency rating ) se determină din relația
PnL ACηηη, (9.15)
în care A este randamentul corpului de iluminat; nL numărul de lămpi în corpul
de iluminat; eficiența luminoasă a lămpilor utilizate; P puterea absorbită de
ansamblul corp de iluminat echipat cu lămpi.
Corpurile de iluminat, în funcție de modul de transmitere a fluxului luminos,
pot fi împărțite, în principiu, în următoarele categorii:
cu reparti ție directă (fig. 9.12 a)), având peste 90% din fluxul luminos emis
în semis fera inferioară;
cu repartiție semidirectă (fig. 9.12 b)), având 60 90% din fluxul luminos
emis în semisfera inferioară;
cu repartiție mixtă (fig . 9.12 c)), având având 40 60% din fluxul luminos
emis în semisfera inferioară;
cu repartiție semiindirectă (fig. 9 .12 d)), având având 40 60% din fluxul
luminos emis în semisfera superioară;
cu repartiție indirectă (fig . 9.12 e)), având peste 90% din fluxul luminos
emis în semisfera superioară.
238 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
a)
b) c)
d) e)
Fig. 9 .12 Corpuri de iluminat.
Repartiția fluxul ui luminos, în emisfera inferioară, în emisfera superioară și
pe pereți are o influență importantă asupra luminanțelor în câmpul vizual și , deci,
asupra confortului vizual. Repartiția armonioasă a celor trei componente ale fluxu –
lui luminos poate asigura , atât nivelul de iluminare necesar pe planul de lucru , cât
și efectul estetic al iluminatului. În general, fluxul spre emisfera inferioară defi nește
eficiența sistemului de iluminat, iar fluxul superior și cel spre pereți confortul
vizual .
Corpurile de il uminat cu emisie numai în emisfera inferioară asigură, de
obicei, un nivel ridicat de iluminare pe suprafețele orizontale, însă, deseori, o
supărătoare neuniformitate a iluminării cu umbre pronunțate, atenuate în mică
măsură de celelalte surse de lumină.
În analiza eficienței sistemelor de iluminat interior, pereții reprezintă surse
disperse de lumină și caracteristicile acestora (factor de reflexie) trebuie să fie luate
în considerație de către auditor.
9.4 Surse de lumină artificială
Sursele de lumin ă artificială și tehnica iluminatului se referă la surse
electrice , ca surse de radiații electromagnetice în domeniul vizibil al spectrului.
Lămpile electrice reprezintă modul practic de realizare a surselor de lumină
utilizate , în special , pentru ilumina tul artificial. În prezent, în tehnica iluminatului
există o mare varietate de surse de lumină artificială adecvate diferitelor scopuri.
Deosebirea constă nu numai în dimensiuni și formă, ci într -o măsură , chiar mai
importantă , în modul de producere a lumi nii, puterea nominală, fluxul luminos,
culoarea luminii, tipul soclului etc.
Principial sursele de lumină pot fi împărțite în trei clase:
surse termice (lămpi cu incandescență);
surse cu descărcări electrice (lămpi fluorescente, lămpi cu descărcare în
vapori metalici de înaltă presiune);
Iluminatul electric 239
surse electronice (diode luminiscente).
În cazul surselor termice, energia absorbită este utilizată pentru încălzirea
unui metal (de obicei, wolfram), obținându -se pe lângă radiație termică și o anu –
mită radiație luminoasă (spectru continuu).
În cazul surselor cu descărcare electrică, este utilizată radiația electro –
magnetică ce rezultă în canalul de descărcare (spectru discontinuu – linii spectrale).
Aceasta este convertită în spectrul vizibil cu ajutorul unui st rat fluorescent.
Sursele electronice utilizează diode luminiscente (LED – Light -emitting
diodes ) pentru realizarea surselor luminoase.
Cunoașterea surselor de lumină artificială și utilizarea lor adecvată permite
obținerea, mai ales în cazul clădirilor c u birouri, a unui iluminat eficient, adaptat
condițiilor specifie de lucru.
9.4.1 Lămpi cu incandescență
Lămpile cu incandescență sunt surse termice de lumină. Un fir metalic ,
plasat în interiorul unui balon din sticlă , este adus la incandescență prin efect Joule,
la trecerea unui curent el ectric (fig. 9.13).
În funcție de temperatura sa, filamentul emite un anumit spectru de radi ații
electromagnetice (fig. 9 .14).
Ca sursă de lumină este utilizat în preze nt filamentul din wolfram (tempera tura de
topir e circa 3400 C).
Lămpile cu incandescență cu puteri nominale de 15 40 W sunt realizat e, în
mod obișnuit , cu vid în interiorul balonului din sticlă, iar lămpile cu puteri
nominale peste 60 W sunt realizate, de obicei, cu un gaz inert în interiorul
balonului.
Cea mai mare parte a radiațiilor em ise, pentru temperaturile obișnuite de
2200 2500C, corespund domeniului radiațiilor termice, astfel încât lampa cu
incandescență este, în primul rând, un element încălzitor, cu o pondere redusă ca
sursă de lum ină. Ar fi fost avantajos dacă elementul încălzit ar fi ajuns la circa
5000C, ceea ce ar fi condus la o efici ență luminoasă de circa 95 lm/W, însă, î n
prezent , nu există materiale care ar putea lucra la aceste temperaturi.
Cele mai importante avantaje ale acestor lămpi sunt următoarele:
dimensiuni reduse;
o foarte bună redare a culorilor;
o mare varietate de puteri nominale și forme;
apariția imediată a luminii după conectare în circuitul electric;
cost redus la achiziție;
posibilitate de reglare continuă a fluxului luminos;
receptor liniar (nu produce armonice de curent electric);
nu determină defazare între curentul absorbit și tensiunea de alimentare (nu
necesită putere reactivă).
240 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
2 4 1
4
5 Vid sau
gaz
(argon)
3
6
Fig. 9 .13 Lampă cu incandescență:
1 – Elementul cald (filament din
wolfram); 2 – Balon din sticlă;
3 – Soclu; 4 – Electrod; 5 – Tijă din
sticlă; 6 – Element de contact. p*
1,8
1,4
1,0
0,6
0,2
0 400 450 500 550 600 650 [nm]
Fig. 9 .14 Puterea spectrală relativă p* a unei
surse de lumină:
1 Lampa cu incandescența cu vid; 2 – Lampa cu
incandescența cu gaz; 3 – Lampa fluorescentă. 1
2
3
Principalele dezava ntaje ale lămpii cu incandescență sunt:
eficiență luminoasă foarte redusă (8 20 lm/W);
durată de utilizare redusă ( circa 1 000 ore);
solicitare termică ridicată (temperatura balonului din sticlă poate atinge
150C);
luminanța are valori de osebit de ridicate (200 1200 cd/cm2) ceea ce
conduce la pericol de orbire;
curentul electric I0 , în momentul conectării lămpii (în starea rece a
filamentului) , este foarte mare în raport cu curentul electric Ir de funcționare
normală ( I0/Ir 8), ceea ce determină o puternică solicitare a lămpii și a circuitului
de alimentare (raportul între rezistența electrică a lămpii în stare rece și în
funcționare este aproximativ 14);
datorită vaporizării wolframului, pe partea interioară a balonului din st iclă,
se depune un strat netransparent; caracteristicile fotometrice ale lămpii cu
incandescență, pe durata funcționării, devin din ce în ce mai reduse (în negrirea
balonului datorită depunerii vaporilor de wolfram); după 1000 ore de funcționare,
lampa prez intă un flux luminos care nu depășește 80% din valoarea inițială;
prezintă o sensibilitate ridicată la variații de tensiune; o influență deosebită
o are nivelul de tensiune U asupra duratei de viață D
14
r r UU
DD
, (9.16)
în care Dr = 1000 ore este durata normată, iar Ur = 230 V tensiunea normată.
Din relația ( 9.16) rezultă că la o creștere de tensiune permanentă cu 5% peste
valoarea normată, durata de viață se reduce la 50% , iar la o reducere a tensiunii cu
5% fluxul luminos scade cu 17 %.
Nivelul tensiunii la bornele lămpii are o influență ridicată asupra caracte risti-
cilor fotometrice și electrice ale lămpii (fig. 9.15).
Iluminatul electric 241
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 U/Ur
Fig. 9 .15 Mărimile relative ale lămpii cu
incandescență în funcție de tensiune. D/Dr
D/Dr Φ/Φ r
Φ/Φ r P/Pr P/Pr /r /r
În afara lămpilor de utilizare generală , există o mare varietate de lămpi cu
utiliz ări speciale: lămpi pentru faruri auto, lămpi pentru proiectoare, lămpi lumina
zilei etc.
În fig ura 9.16 este prezentat bilanțul energetic al unei lămpi incandescente
normale [9.6] .
Pierderi prin conducție și
convecție de la filament la
balonul din sticlă 34%
Radiație infraroșie
a balonului din
sticlă 22% 8% 58% 34%
22%
Fig. 9 .16 Bilanțul energetic al unei lămpi cu incandescență normale. Energia absorbită 100%
Radiație infraroșie a
filamentului din wolfram 58%
Pierderi
Radiație Radiație infraroșie termice prin
vizibilă 80% conducție și
convecție
12%
12% 12%
Datorită eficienței lor foarte reduse, lămp ile cu incandescență sunt utilizate
numai în cazuri speciale, pentru calitățile lor privind redarea culorilor. În prezent,
aceste lămpi nu mai sunt în producția curentă.
9.4.2 Lămpi cu descărcare în vapori metalici
În cazul lămpilor cu descărcare elect rică, sursa de lumină este determinată de
radiațiile electromagnetice care apar în descărcările electrice în vapori metalici. Ca-
nalul descărcării electrice determină o intensă emisie electromagnetică, de obicei,
în domeniul radiațiilor ultraviolete. Pentr u a obține o radiație luminoasă este nece –
242 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
sară o conversie în spectrul vizibil. În acest scop este folosită o substanță fluores –
centă plasată pe partea interioară a tubului de descărcare.
În cazul lămpilor cu descărcare în vapori metalici este necesară e xistența
unui element de stabilizare a descărcării electrice , într-un anumit domeniu al ca –
racte risticii tensiune -curent electric, numit balast. De cele mai multe ori, pentru
limitarea curentului electric sunt utilizate bobine (balast inductiv). Uneori su nt fo –
losite și condensatoare (foarte rar rezistoare). În prezent, este recomandată utili –
zarea bal asturilor electronice, care asigură caracteristici luminotehnice supe rioare
și reducerea consumurilor de energie electrică.
9.4.2.1 Lămpi fluorescente
Lămpile fluorescente sunt lămpi cu descărcare în vapori de mercur de joasă
presiune. În interiorul tubului este un amestec gazos de argon și krypton împreună
cu un miligram de mercur (presiunea gazului 150 160 Pa; presiunea vaporilor de
mercur 0,15 15 Pa). Pe partea interioară a tubului din sticlă este plasat un strat
subțire dintr -un material fluorescent. Canalul descărcării electrice determină o
intensă radiție în domeniul ultraviolet (în principal , linia spectrală de 253 nm, așa
numita linie rez onantă a mercurului) care este convertită în domeniul vizibil cu
ajutorul stratului din material fluorescent. Materialul fluorescent deter mină
calitatea luminii și eficiența sursei de lumină.
În cazul surselor liniare (tuburi fluorescente), descărcarea e lectrică se
dezvoltă în in teriorul unui tub din sticlă (8 26 mm diametru) prevăzut, pe partea
interioară, cu un strat fluorescent, iar la capete tubului sunt plasați doi electrozi. În
mod obișnuit , electrozii constau din filamente din wolfram, acoperit e cu un strat
activ din pământuri rare. Filamente le trebuie să fie preîncălzite.
Lungimea tubului este determinată de fluxul luminos nominal al lămpii.
Descărcarea electrică este amor –
sată inițial în mediul gazos din tub, iar
apoi are loc vaporizarea me rcurului și
dezvoltarea descărcării în vapori
metalici.
Tensiunea relativ ridicată (până
la 2,5 kV) necesară amorsării descăr –
cării este obținută , în multe dintre
lămpile fluorescente actuale , cu aju to-
rul unui starter St (fig. 9.17). Acesta
constă dintr -un tub de d escărcare G, de
dimensiuni redus e, având , în paralel ,
conectat un condensator Cs pentru
limitarea perturbațiilor de înaltă frecvență. Tubul de descărcare G este umplut cu
neon și are doi electrozi E a (de formă liniară) și E b (element bimetalic ).
Dacă la bornele de alimentare se aplică tensiune alternativă de 230 V, între
electrozii E a și E b se inițiază o des cărcare luminiscentă. Căldura dez voltată în tubul
G conduce la defor marea elementului bimetalic E b până la atingerea celor doi
electroz i. Curentul de scurtcircuit rezultat (de circa 1,5 mai mare decât curentul Ur = 230 V
Fig. 9 .17 Lampa fluorescentă. B
CR
E1 E2 S1 S2
St
Cs Ea Eb T
G
Iluminatul electric 243
nominal) deter mină încălzirea rapidă a celor doi electrozi (filamente) E 1 și E 2 până
la circa 800 C. În tubul G, atin gerea celor doi electrozi E a și E b ai star terului (circa
0,3 s) conduce la dispariția descărcării electrice, răcirea elemen tului bimetalic și
revenirea sa la forma inițială. La întreruperea circui tului între electrozii E a și E b ai
starterului, la bor nele bobinei B apare un impuls de ten siune (circa 2,5 kV) c are
determină străpungerea electrică a spațiului di ntre electrozii E 1 și E 2 . În cazul în
care în tubul T nu a avut loc inițierea descăr cării, întregul proces de aprindere se
reia. Des cărcarea se inițiază în amestecul gazos de bază , apoi are loc vaporiza rea
mercurului și continuarea descărcării în vapori de mercur.
Radiația luminoasă emisă este foarte redusă, având în vedere că emisia unei
descărcări în vapori de mercur are loc , practic , numai în domeniul ultraviol et. Stra –
tul fluorescent plasat , pe part ea interioară a tubului de descărcare , convertește circa
o treime din radiațiile invizibile UV în radiații vizibile , a căror culoare depinde de
materialul fluorescent utilizat.
Tensiunea la bornele tubului UT , după amorsarea acestuia, este mai mică
decât tensiunea de aprindere a starterului [ UT = (0,3 0,6)Ur] și starterul nu mai
are, în continuare , niciun rol.
Starterul are următoarele funcțiuni:
asigurarea preîncălzirii filamentelor tubului principal;
realizarea unei deschideri bruște a circu itului electric inductiv astfel încât
la bornele bobinei B să se obțină o tensiunea ridicată;
limitarea perturbațiilor de înaltă frecvență în perioada inițială de aprindere
a lămpii.
Bobina B trebuie să asigure aprinderea lămpii, dar are și rolul de a limita
curentul electric de preîncălzire , în perioada de aprindere a lămpii , precum și de a
stabiliza descărca rea electrică în zona impusă a caracteristicii tensiune -curent
electric a lămpii (limitarea curentului prin tubul principal în regimul normal de
funcționare).
Tubul de descărcare T este conectat în circuit prin intermediul soclurilor S 1
și S 2 , cu doi electrozi.
Condensatorul C R are rolul de a asigura îmbunătățirea factorului de putere al
lămpii (în funcționare normală factorul de putere natural nu depășește 0,6).
Prin alegerea corespunzătoare a stratului fluorescent, lămpile fluorescente
pot fi realizate în principal cu următoarele culori:
alb culoare (temperatura de culoare circa 4400 K) care permite obținerea
unei eficiențe luminoase r idicate și o utilizare generală; a ceste lămpi sunt foarte
folosite pentru iluminare în industrie, birouri, î ncăperi comerciale, în exterior;
lumina zilei culoare alb -albăstruie (temperatura de culoare circa 6400K)
care este asemănătoare luminii zilei; a ceste lămpi sunt utilizate în locurile în care
este importantă distingerea reală a culorilor (tipografii, ateliere foto, industrie
textilă ș.a.);
alb cald culoare caldă (temperatura de culoare 3300 K), cu o pondere
importantă a domeniului roșu, este a decvată iluminării spațiilor de odihnă (încăperi
de locuit, spații culturale, restaurante etc.).
O durată ridicată de viață, o eficiență luminoasă relativ mare și o bună redare
a culorilor reprezintă calități care au condus la o largă utilizare a acestor lămpi.
244 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Principalele caracteristici ale lămpilor fluorescente sunt:
eficiență luminoasă ridicată 75 110 lm/W;
o mare varietate de modele (cele mai des sunt utilizate lămpile cu puterea
nominală de 20 W și 40 W);
o redare a culorilor de la
bună până la foarte bună;
o durată ridicată de viață
(16 000 ore);
posibilitate de reglare
continuă a fluxului luminos până
la 1% , în cazul utilizării bala stu-
lui electronic;
mai puțin sensibile decât
lămpile cu incandescență la va-
riații de t ensiune (fig. 9.18);
micile variații până la 5% in fluen-
țează relativ puțin puterea absorbită și durata de viața a lămpii;
luminanță redusă (0,4 1,7 cd/cm2).
Bilanțul energetic al unei lămpi fluore scente este indicat în fi gura 9.19.
Principalele dezavantaje ale lămpii sunt următoarele:
fluxul luminos al lămpii este puternic dependent de temperatură; valorile
optimale ale temperaturii mediului ambiant sunt de la 25 C (la tuburile T26* ) până
la 35C (la tuburile T16) figura 9.20;
datorită bo binei de limitar e B rezultă un factor de putere natural de circa
0,6; pentru îmbunătățirea factorului de putere este prevăzut un condensator de o
anumită valoare (dacă nu se iau alte măsuri);
dimensiuni mari;
costuri relativ mari;
durata de viață e ste sensibilă la frecvența conectărilor (în cazul unei
frecvențe ridicate a conectărilor scade durata de viață);
lampa fluorescentă este un receptor puternic neliniar; datorită caracteris –
ticii neliniare a lămpii , curentul electric absorbit are o formă distorsionată ; spectrul
său de armonice are componente de frecvență ridicată;
alimentarea lămpii cu o tensiune de frecvență redusă (50 Hz) conduce la
efect stroboscopic (fluxul luminos variază cu o frecvență dublă față de a
curentului electric) .
* notație utilizată pentru a indica forma ( Tubulară) și diametrul tubului (26 mm) 1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
0,6
D/D
r I/Ir P/Pr
/Φr
0,8 0,85 0,9 0,95 1,0 1,05 1,1 1,15
U/Ur
Fig. 9 .18 Mărimile relative ale lămpii
fluorescente î n funcție de tensiune.
Iluminatul electric 245
53%
44%
35%
3% 18%
Energia absorbită 100%
Radiație ultravioletă
Conversie în stratul
fluorescent
Căldură 79%
Radiație Radiație ultra – Pierderi
luminoasă 21% violetă 37% termice 42%
Fig. 9 .19 Bilanțul energetic al unei lămpi fluorescente.
%
100
80
60
40
20
0 20 0 20 40 60 []
Fig. 9 .19 Variația fluxului luminos cu temperatura mediului ambiant. T26 58 W T16
T26 36 W
Lampa fluorescentă tubulară este frecvent utilizată în iluminatul interior.
Sursele tubulare moderne sunt caracterizate de o eficiență luminoasă ridicată, o
bună r edare a culorilor și sunt alimentat e prin intermediul unui balast electronic . Se
asigură astfel, la bornele lămpii , o frecvență ridicată (20 50 kHz) pentru limit area
efectului stroboscopic și, în punctul de conectarea la rețea , un factor de putere
practic unitar și o formă sinusoidală a cu rentului absorbit .
9.4.2.2 Lămpile fluorescente compacte
Lămpile fluorescente compacte funcționează după același principiu ca și
lămpile fluorescente liniare. Sunt utilizate în aparate de iluminat de dimensiuni
reduse. Așa numitele lămpi economice sunt lămpi fluorescente compacte având în
soclu inclu s balastul electronic (fi g. 9.21). Tubul de descărcare este alimentat cu o
tensiune de frecvență ridicată (20 50 kHz). Aceste lămpi sunt utilizate , în mod
246 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
obișnuit , pentru înlocuirea lămpilor cu incandesc ență.
Inițierea descărcării electrice se realizează, cu ajutorul unui circuit rezonant
L-C (fig. 9.21); această soluție este utilizată , din ce în ce mai des , și în cazul lăm –
pilor liniare.
Înainte de aprinderea lămpii trece un curent electric prin circuitu l serie
compus din bobina B, filamentele lămpii și condensatorul C. În regim rezonant
rezultă o tensiune ridicată , UC (fig. 9 .22 a)), ceea ce conduce la amorsarea
descărcării în tub. Î n funcționare normală (fig. 9 .22 b)), condensatorul este scurt –
circuitat de către canalul descărcării electrice în lampă.
1
2
3
4
Fig. 9 .21 Lampă
fluorescentă compactă:
1 tub din sticlă în
formă de U; 2 – balast
electronic; 3 – soclu;
4 piesă de contact. U UL B I
C UC UF/2
UF/2
I
UF U UL
UC
a) b)
Fig. 9 .22 Aprinderea lămpii fluorescente într -un circuit
rezonant L -C:
a) înainte de aprinderea lămpii; b) în funcționare normală. U B
I
C
U
I φ
Principalele avantaje ale lămpilor compacte sunt:
dimensiuni reduse, o formă compactă;
o varietate mare de puteri nominale;
eficiență luminoasă ridicată 55 88 lm/ W;
redare foarte bună a culorilor;
durată mare de viață (peste 10000 ore);
posibilitate de a regla continuu fluxul luminos până la 3% , la utilizarea
balastului electronic;
dacă balastul electronic este completat cu un circuit PFC ( Power fac tor
corrector ) poate determina un factor de putere unitar și un curent electric absorbit ,
de formă practic sinusoidală .
Principalele dezavantaje ale lămpilor compacte sunt:
o intensă disipare de căldură într -un volum redus;
datorită caracteristicii nel iniare, curentul absorbit din rețea , în lipsa unui
circuit de corecție, prezintă u n spectru important de armonice .
Acest tip de lămpi cunoaște o largă utilizare în unitățile social -cultur ale,
Iluminatul electric 247
spitale, școli, locuințe. P rin faptul că poate înlocui direct l ămpile cu incandescență,
reprezintă una dintre soluțiile cele mai eficiente pentru reducerea consumurilor de
energie electrică pentru iluminat.
În tabelul 9.7 sunt indicate lămpile fluorescente compacte care asigură ,
practic , același flux luminos cu lămp ile incandescente, având însă o putere nomi –
nală mult redusă , având în vedere eficiența luminoasă relativ ridicată a lămpilor
fluorescente compacte.
Tabelul 9.7
Corespondența lămpilor compacte cu lămpile cu incandescență
Lămpi compa cte Lămpi cu incandescență
P, [W] , [lm] P, [W] , [lm]
5 250 25 220
7 400 40 480
9 600 50 610
13 900 60 890
18 1250 75 1220
26 28 1800 100 1750
Înlocuirea lămpilor cu incandescență cu cele compacte trebuie analizată și
prin prisma reduceri i poluării mediului ambiant. În figura 9.23 este indicată o
comparație între cele două tipuri de lămpi în funcție de cantitatea de CO 2 emisă în
atmosferă pentru obținerea energiei electrice necesară funcționării lămpii.
70 €
26 € kg CO 2
500
400
300
200
100
0 Lămpi
incandescente Lămpi compacte
Fig. 9 .23 Emisia de CO 2 corespunzătoare energiei consumate și costurile
pe durata de viață a lămpilor cu incandescență și a lămpilor compacte.
Lampa compactă asigură o economite de 44 € pe durata de viață și
reducerea cantității de CO 2 cu circa 500 kg. Se consideră :
lampa incandescentă: durata de viață 1250 ore ; puterea 80 W ; preț de
vânzare : 0,75 € ;
lampa compactă : durata de viață 10000 ore, pute rea 20 W ; preț de
vânzare : 10 € .
A fost luat în calcul un flux de 1500 lm și 0,08 €/kWh.
248 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
9.4.2.3 Lămpi cu descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune
Lămpile cu descărcare în vapori de mercur de înaltă presiune au fost primele
lămpi pentru iluminat general, alimentate la 230 V și prevăzute cu balast inductiv.
Const ă dintr -un tub de descăr care T din cuarț (fig. 9.24), în care se dezvoltă o
descărcare electrică între electrozii principali
E1 și E 2 . După conectarea lămpii în circuit,
între electrodul principal E 2 și electrodul
auxiliar E a se dezvoltă o descărcare electrică
auxiliară, în medi ul gazos din interiorul
tubului (gaz inert), pentru a asigura o can –
titate suficientă de purtători de sarcină.
Limitarea curentului în această descărcare
secundară este realizată de rezistorul R. După
un anumit timp , (3 5 minute) mercurul din
interioru l tubului se vaporizează și descărca –
rea electrică continuă, între electro zii princi –
pali, în vapori metalici. Limitarea curentului
electric în descărcarea principală și sta bi-
lizarea descărcării electrice se reali zează cu
ajutorul unui element conectat în serie și
numit balast. În mod obișnuit drept balast se
folosește o bobină (balast inductiv) având în
vedere pierderile active reduse .
Descărcarea electrică în vapori de
mercur de înaltă presiune (circa 0,15 MPa) este însoțită de o intensă bandă spectra –
lă în d omeniul vizibil al spectrului (g alben 577 nm până la violet 404,7 nm). De
asemenea, rezultă o intensă radiație ultravioletă ( în principal , linia spectrală 365,5
nm), utilizată pentru excitarea stratului fluorescent cu nuanța roșiatică. Materialul
fluorescent este plasat pe partea interioară a balonului exterior K .
Balonul exterior K , din sticlă , asigură protecția tubului de descărcare T
contra acțiunilor exterioare (limitarea influenței temperaturii exterioare) și absoarbe
o parte dintre radiațiile ultraviolete.
Lampa este echipată în mod uzual cu soclu S de tipul E 27* sau E 40 și cu un
element de contact E.
Utilizarea balastului inductiv drept limitator de curent electric determină un
defazaj al curbei curentului electric față de tensiunea aplicată și rezultă un factor de
putere de circa 0,6. Apare necesitatea utilizării unui condensator C pentru
compensarea puterii reactive.
Acest tip de lampă este utilizat pentru iluminatul halelor industriale și în
iluminatul stradal.
Principalele avantaje ale ac estor lămpi sunt:
un cost relativ redus;
nu necesită elemente suplimentare pentru amorsare;
* Notația E indică tipul filetului (Edison), iar cifrele indică diam etrul soclului în mm. T E1
E2
R Ea K
S
E B
Fig. 9 .24 Lampa cu descărcare în
vapori de mercur de înaltă presiune.. C 230 V;
50 Hz ~
Iluminatul electric 249
o eficiență luminoasă medie 32 60 lm/W;
durată de viață ridicată (peste 20 000 ore).
Principalele dezavantaje ale lămpii sunt:
caracteristici reduse d e redare a culorilor;
durată mare de lansare și relansare (circa 5 minute); după deconectarea
lămpii, relansarea are loc numai după răcirea și , astfel , reducerea presiunii din
interiorul tubului de descărcare;
datorită caracte risticii neliniare a des cărcării electrice , curentul electric din
circuitul lămpii este puternic distorsionat .
Dezavantajele lămpii deter mină ca , în prezent , să fie puțin utilizată. Acest tip
de lampă stă însă la baza realizării lămpilor moderne.
9.4.2.4 Lămpi cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă presiune
În cazul acestor lămpi, arcul electric se dezvoltă într -o atmosferă de vapori
de sodiu. Lampa constă, în prin cipiu, dintr -un tub T (fig. 9.25) și doi electrozi E 1 și
E2 între care se dezvoltă descărcarea electr ică. Tubul T este umplut cu un gaz inert
(Xe, Ar, Ne) și este introdus puțin sodiu în stare solidă. La conectarea lămpii la
rețeaua electrică, blocul de amorsare A generează impulsuri de tensiune cu am –
plitudine de circa 4 kV, deter minând
amorsarea descă rcării în gazul inert.
După timpul de lansare (până la 8
minute) natriul se vaporizează și des –
cărcarea electrică continuă în vapori
metalici. În funcționare normală, ten –
siunea la bornele tubului T este de
circa 170 V și blocul de amorsare iese
din fu ncțiune.
Rezultă , în principal , o intensă
radiație monocromatică (galben intens)
cu o lungime de undă de 589 nm, în
apropiere de valoarea corespunzătoare
sensibilității spectrale maxime a ochiu –
lui uman. Pentru a obține o îmbună tă-
țire a spectrului lumini i emise, pe par –
tea interioară a balonul K este plasat un
strat fluorescent.
Eficiența luminoasă a lămpii
crește odată cu nivelul de izolare
termică. Pentru limitarea pierderilor de căldură datorate convecției, în interiorul
balonului K este necesar un vid înaintat.
Având în vedere atmosfera agresivă datorată vaporilor de sodiu, tubul T este
realizat dintr -o sticlă specială.
Principalele avantaje ale lămpilor cu descărcare în vapori de sodiu cu înaltă
presiune sunt următoarele:
durată mare de viață (peste 20 000 ore); T E1
E2 K
S
E
Fig. 9 .25 Lampa cu descărcare în vapori
de sodiu de înaltă presiune . C 230 V;
50 Hz
A B
250 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
o eficiență luminoasă ridicată (până la 130 lm/W);
formă compactă.
Principalele dezavantaje ale lămpii sunt:
o slabă redare a culorilor ( Ra < 20);
necesită utilizarea unui balast și a unui bloc de amorsare;
durată mare a timpului de lansare și relansare (până la 8 minute);
costuri ridicate;
datorită caracteristicii neliniare a descărcării electrice, curentul electric
absorbit din rețeaua de alimentare prezintă un important spectru armonic.
Având în vedere forma compactă, durata m are de viață, o eficiență
lumin oasă ridicată , însă o slabă redare a culorilor, lămpile cu descărcare în vapori
de sodiu cu înaltă presiune sunt utilizate practic numai pentru iluminatul stradal și
al tunelurilor.
În prezent , sunt realizate și lămpi cu desc ărcare în vapori de sodiu cu înaltă
presiune, cu eficiență luminoasă mai redusă, însă cu o bună redare a culorilor, care
pot fi utilizate și în iluminatul interior.
9.4.2.5 Lămpi cu halogenuri metalice
Lămpile cu halogenuri metalice sunt realizate pe baz a lămpilor cu descărcare
în vapori de mercur de înaltă presiune. Redarea culorilor și eficiența luminoasă pot
fi îmbunătățite prin introducerea în tubul de descărcare de ioduri de Na, In și T l
precum și mercur.
Descărcare a în interiorul tubului, în funcț ionare normală, are loc în vaporii
iodurilor metalice și nu apar liniile spectrale ale mercurului.
Principiul lămpii constă în faptul că cele mai multe dintre halogenurile
metalice vaporizează la temperaturi mult mai mici decât metalul cu care sunt aliate.
În tubul de descărcare este argon, puțin mercur și diferite halogenuri metalice (I,
Br, Cl).
Înițial , se amorsează o descărcare în argon car e trece în vapori de mercur și
apoi, halogenura este vaporizată în canalul de plasmă (temperatura peste 3000 K) și
disociată. În continuare , are loc descărcarea în vaporii metalelor care au fost în
componența halogenurilor și rezultă un spectru de emisie corespunzător acestora.
În prezent ,sunt utilizate iodura de sodiu, iodura de thaliu, iodura de indiu, iodura de
scandiu, iodura de thoriu, iodura de dysposiu, bromura de dysposiu, bromura de
holmiu, bromura de tuliu.
La temperaturi reduse metalul se aliază din nou cu halogenul respectiv.
Principalele avantaje ale lămpilor cu halogenuri metalice sunt:
o bună până l a foarte bună redare a culorilor ( Ra > 60);
durată mare de viață (peste 15 000 ore);
o bună până la foarte bună eficiență luminoasă (60 110 lm/W);
dimensiuni reduse;
o ridicată stabilitate a culorilor în cazul utilizării tubului de descărc are din
material ceramic.
Principalele dezavantaje ale lămpii cu halogenuri metalice sunt:
Iluminatul electric 251
necesită b alast inductiv și bloc de amorsare;
durată mare de lansare și relansare (câteva minute);
costuri ridicate;
datorită caracteristicii neliniare a descărcării electrice, curentul electric
absorbit din rețeaua de alimentare prezintă un important spectru armonic.
Lampa cu halogenuri metalice este utilizată pentru iluminatul halelor
industriale, a spațiilor comerciale , a terenurilor de sport etc.
9.4.3 Lămpi cu diode luminiscente ( LED – light emitting diode )
Una dintre sol uțiile care vor deschide noi direcții de dezvoltare în domeniul
iluminatului artificial este utilizarea diodelor luminiscente , LED . Aplicațiile actu –
ale, reduse la surse de semnaliza re, pun în evidență posibilitatea ca, în urma unor
studii aprofundate, să fie extins domeni ul de utilizarea a acest or surse și în
domeniul iluminatului interior și exterior.
Diodele lumin iscente LED sunt elemente semiconductoare care generează o
lumină mo nocromatică. Sursele actuale pentru semnalizare utilizează diode
luminiscente cu strat din fosfor sau o combinație de trei diode determinând culorile
primare (prin combinația cărora se poate realiza orice nuanță de culoare).
Eficiența lum inoasă a surselor actuale de semnalizare este relativ redusă
(până la 100 lm/W), însă se consideră că , prin studii și dezvoltări ale elementelor
semiconductoare , va fi posibilă obținerea unei eficiențe luminoase care să depășea –
scă sursele actuale de lumină artificială.
O caracteristică deosebită a surselor bazat e pe LED este durata de viață
foarte ridicată, (peste 20 ani) ceea ce le face deosebit de atractive pentru iluminatul
exterior, unde costurile de înlocuire și mentenanță prezintă un interes special [9.7] .
Posibi litatea realizării oricărei nuanțe de culoare a luminii emise , precum și
orice formă a sursei , fac ca aceste surse de lumină să prezinte interes în cazul ilu –
minatului decorativ , dar și în cazul iluminatului exterior pentru realizarea
sistemelor de semnal izare pentru circulație.
Controlabilitatea sistemului de ilumi nat cu LED -uri permite realizar ea unor
sisteme de iluminat eficiente cu adaptare la necesarul momentan de lumină.
Eficiența ridicată preconizată a sistemelor de iluminat cu diode lumin iscente
(deci pierderi reduse de energ ie) va avea efecte benefice pentru reducerea
consumurilor de energ ie electrică di n interiorul clădirilor, în inst alațiile de aer
condiționat.
Alimentarea acestor surse cu tensiune continuă poate fi un avantaj important
odată cu dezvoltarea sistemelor de alimentare cu energie electrică la tensiune
continuă, aflate , în prezent , încă în etapa de studiu, dar care vor avea în viitor o
pondere importantă.
Studiile teoretice și dezvoltările tehnologice trebuie să urmărească , odată c u
creșterea efic ientei luminoase a diodelor act uale, reducerea costurilor pentru
realizarea lămpilor cu diode luminiscente, precum și menținerea, pe întrega durată
de viață, a spectrului luminos al lămpii.
Schema de principiu a unei lămpi cu diode luminisc ente conectate în serie și
paralel este indicată în figura 9 .26.
Dacă în schema din figura 9 .26 sunt utilizate diode cu curentul electric
252 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
nominal de 350 mA și o tensiune de 4V, cele 30 diode din matricea lămpii
realizează o sursă de circa 40 W.
230 V; 50 Hz F N PE
EMC
Fig. 9 .26 Schema de principiu a unei lămpi electrice cu LED -uri
D
PFC
Matricea de LED -uri se alimenteaz ă cu tensiune continuă de circa 24 V, ceea
ce necesită ca sursa D să includă un transformator coborâtor 230/18 V și un redre –
sor. Limitarea deformăr ii curbei curentului electric ab sorbit din circuit și pr oble-
mele de compa tibilitate electromagnetică pot fi rezolvate cu ajutorul circu itului de
corecție a formei curentului electric și a factorului de putere PFC ( Power factor
corrector ) și a circuitului EMC ( Electromagnetic compatibility ).
Principalele av antaje ale surselor cu LED -uri sunt:
durată foarte ridicată de viață (peste 20 ani), ceea ce conduce la costuri
reduse de mentenanță (înlocuire lămpi);
consum redus de energie electrică, ceea ce conduce la costuri reduse de
operare;
influența redu să a vibrațiilor și a loviturilor;
formă compactă;
stabilitate ridicată a culorilor;
sistem simplu și eficient de control;
pierderi reduse și deci o cantitate redusă de căldură dezvoltată;
rată redusă de defectare;
tensiune redusă de alim entare (are nevoie de transformator, redresor și
filtru);
admite un mare număr de comutații.
9.4.4 Alegerea lămpilor electrice
Alegerea adecvată a lămpilor , corespunzător locului de muncă, trebuie
verificată de către auditor, iar abaterile semnalate trebuie să fie corectate, prin
soluțiile propuse în concordanță cu condițiile specifice ale spațiului iluminat.
Principalele caracteristici ale lămpilor electrice utilizate în pr ezent sunt
indicat e în f igura 9.27 și în tabelul 9.9. Aceste mărimi trebuie să fie urmărite pe
durata efectuării auditului. Propunerile privind creșterea eficienței în instalațiile de
iluminat se referă la utilizarea surselor de lumină artificială cu eficiență ridicată,
adecvate locului de muncă. În figura 9.28 [9.8] este indicată evoluția eficienței
luminoase la lămpile electrice utilizate în prezent. Se remarcă faptul că lămpile cu
LED, prin durata mare de utilizate, eficiența luminoasă ridicată și posibilitatea
Iluminatul electric 253
obținerii unui spectru dorit al luminii oferă soluții recomandate pe ntru multe locuri
de muncă .
Eficiența
luminoasă
Durata de viață
Culoare
Redarea culorilor
Caracteristici ale
lămpilor
Durata de lansare
Durata de
relansare Posibilitatea de
reglare a fluxului
luminos emis
Temperatura
balonului
Fig. 9 .27 Caracteristici ale lămpilor electrice.
Tabelul
9.9
Principalele caracteristici ale diferitelor tipuri de lămpi
Sursa de lumină Puteri
nominale,
W Eficiența
luminoasă
,
lm/W Durata
de
viață,
ore Indice de
redare a
culorilor Cost
aproxima –
tiv, Euro
Lămpi cu incandescență
normale
cu halogeni
15 500
75 2000
8 20
20 30
1000
2000
94 97
0,35 0,5
4,2
Lămpi cu descărcare în
vapori metalici de joasă
presiune
tuburi fluoresc ente
lămpi fluorescente
compacte ( CFLs )
lămpi cu sodiu
(Low Pressure Sodium
Lamps )
15 140
5 40
18 180
75 100
55 88
150 200
>
16000
> 8000
> 8000
48 90
80 85
nedefinit
1,75
14 18
30
Lămpi cu descărcare în
vapori metalici de înaltă
presiune HID ( High
Intensity Discharge )
lămpi cu vapori de
mercur
lămpi cu sodiu
lămpi cu halogenuri
metalice
100
2000
50 1000
70 1800
32 60
66 130
60 110
>20000
>24000
>
15000
22 43
22 80
65 70
15 18
18 20
18 20
254 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Lămpi cu inducție 55…150 65…70 >
60000 80 210 300
Compactă cu inducție 23 48 10000 82 15 20
9.4.5 Alegerea balastului la lămpile cu descărcare
în vapori metalici
Balastul unei lampi cu descărcare în vapori metalici are un important rol
funcțional, dar determină și apariția de pierderi active și, în consecință, creșterea
puterii active absorbită din rețeaua electrică de alim entare de ansamblul lampă și
balast. Reducerea pierderilor în balast și îmbunătățirea caracteristicilor funcționale
ale sursei de lumină este influențată de tipul de balast utilizat.
Tipurile de balast, în funcție de eficiența energetică a ansamblului la mpă și
balast, sunt indicate în tabelul 9.10. De asemenea, în tabelul 9 .10 este indicată
puterea admisă totală absorbită din rețeaua electrică de alimentare de ansamblul
lampă și balast, în cazul unei lămpi cu puterea nominală de 36 W (de tipul T26).
Tabelul 9.10
Clasificarea balasturilor
Clasa Caracteristici Pierderi
[W]
A1 balast electronic cu posibilitate de reglare 38
A2 balast electronic cu pierderi reduse 36
A3 balast electronic 38
B1 balast electromagnetic cu pierd eri foarte
reduse 41
B2 balast electromagnetic cu pierderi reduse 43
C balast electromagnetic cu pierderi moderate 45
[lm/W]
160
140
120
100
80
60
40
20
0 1875 1900 1925 1950 1975 2000
2025
Fig. 9.28 Variația eficienței luminoase la
lămpile clasice și evoluția la lămpile cu diode
luminiscente:
1 lampa cu incandenscență; 2 lampa cu
incandescență cu halogeni; 3 lampa cu
decărcare în vapori de merc ur de înaltă
presiune; 4 lampa fluorescentă; 5 lampa
cu descărcare în halogenuri metalice; 6
lampa cu diode luminiscente. 1 3
2 4 5
6
Iluminatul electric 255
D balast electromagnetic cu pierderi mari > 45
În cazul balastului electronic cu pierderi foarte reduse (clasa A2), reducerea
puterii sub cea nominală este determinată de îmbunătățirea caracteristicilor funcțio –
nale ale lămpii, în prezența balastului electronic.
Conform directivei Uniunii Europene 2000/55/EU, balasturile de tipul D au
fost admise în fabricație numai până la 21.0 5.2002, iar balasturile din clasa C nu
mai pot fi produse după 21.11.2005.
Balasturile electronice de tipul A1 permit conectarea lămpilor într -un sistem
de management al sistemului de iluminat.
Din punctul de vedere al eficienței energetice, balasturile p ot fi definite de
factorul de balast B egal cu raportul dintre fluxul luminos generat de o lampă cu
balastul analizat și fluxul luminos emis de o lampă prevăzută cu un balast standard.
Factorul de balast poate fi 0,5 în cazul unui balast de tipul D și 1,2 în cazul unui
balast electronic.
9.4.6 Utilizarea luminii naturale
Utilizarea eficientă a luminii naturale pentru iluminatul, pe durata zilei, a
unor încăperi întunecate are un rol important în reducerea energiei electrice pentru
iluminatul artificial , dar și realizarea unui sistem de iluminat adecvat activităților
umane.
Realizarea surselor de lumină utilizând tubul de lumină reprezintă o soluție
modernă , care poate asigura un nivel superior al calității mediului luminos interior.
Sursele de acest tip utilizează un tub optic pentru a transmite lumina naturală exte –
rioară spre spațiile interioare, slab iluminate în timpul z ilei (fig. 9 .29). Lumina este
captată prin intermediul lentilei superioare 1 și este transmisă, prin reflexii succe –
sive, de către t ubul optic 2 spre lentila inferioară 3 care asigură distribui rea sau di –
recționa rea, în funcție de particularitățile sarcinii vizuale . În figura 9 .30 este pre –
zentată realizarea practică a sistemului de i luminat pentru un un depozit de materiale .
Tuburile optice actuale , cu caracteristici optice deosebite (reflectanță 98%),
asigură concentrarea luminii solare directe și a luminii difuze din atmosferă și
transferul spre interior a luminii naturale.
Pe timpul serii și al nopții, sau atunci când contribuția d e lumină naturală de
la soare și/sau cer scade sub valoarea necesară asigurării nivelului de iluminare
dorit în spațiul interior, se poate conecta o sursă electrică de iluminat, montată în
interiorul tubului imediat deasupra lentilei inferioare.
Utilizarea tuburilor de lumină în spații întunecate permite reducerea cu până la
75% a consumului de energie electrică pentru iluminat.
256 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
1
2
3
Fig. 9 .29 Transmisia Fig. 9 .30 Iluminatul cu tuburi de lumină a unui depozit.
prin tubul optic.
9.5 Evaluarea necesarului de energie electrică pentru
instalațiile de iluminat artificial
9.5.1 Determinarea necesarului de energie electrică
pentru instalaț iile de iluminat interior
Măsurarea nivelului de iluminare , cu ajutorul luxmetrului, în incintele
analizate în cadrul auditului, conduce, de cele mai multe ori, la valor i inferioare
valorilor normate. Soluțiile de îmbunătățire propuse în cadrul auditului trebuie să ia
în considerație atât reabilitarea instalației existente, cât și propuneri privind
insta lații noi de iluminat, folosind noi surse de lumină, utilizate în mod eficient în
condițiile specifice locului de muncă. În mod obișnuit, instalațiile existente au fost
dimensionate pentru alte condiții de muncă și nu mai asigură condițiile pentru o
activitate eficientă.
În acest sens, apare necesară efectuarea unui calcul de dimensionare, pe baza
căruia se poate evalua consumul de energie electrică pentru instalația propusă.
La dimen sionarea instalațiilor de iluminat trebuie stabilite următoarele date:
tipul lămpii utilizate;
câte lămpi trebuie montate pentru a asi gura nivelul mediu de iluminare
impus și valoarea minimă a factorului de neuniformitate;
locul în care trebuie montate lămpile;
circuitele electrice de alimentare.
Pentru dimensionarea instalațiilor de iluminat sunt folosite, în principal,
următ oarele două metode:
metoda factorului de utilizar e, adecvată , în special , la dimensionarea
Iluminatul electric 257
practică a instala țiilor de iluminat interior;
metoda punct cu punct, utilizată ca metodă exactă pentru dimensionarea
instalațiilor de iluminat interior, dar și pentru dimensionarea instalațiilor de
iluminat exterior.
Metoda factorului de utilizare este folosită în mod obișnuit pentru
dimensionarea instalațiilor de iluminat din birouri, ateliere, spații cu echipamente,
coridoare de circulație. Metoda permite determinarea numărului aparatelor de
iluminat și lămpilor necesare pentru realizarea unui nivel de iluminare impus. Este
necesar a cunoaște: geometria încăperii și caracteristicile de reflexie ale pereților,
curbele fotometrice ale aparatelor de iluminat, modul de plasare a aparatelor de
iluminat în spațiu.
Sunt adoptate următoarele ipoteze de calcul:
încăpere de formă drep tunghiu lară (încăperile cu altă formă s e împart în
zone dreptunghiulare);
spațiul nu conține alte obiecte;
caracteristicile de reflexie ale pereților sun t constante și au un caracter di fuz;
aparatele de iluminat sunt plasate în mod uniform pe tavan.
Pentru calculul numărului necesar de aparate de iluminat în scopul obținerii
valorii dorite ale nivelului de iluminare pe supraf ață de lucru sunt parcurse
următoarele etape:
a) stabilirea valorii medii a nivelului de iluminare Emed în funcție de
activitățile desfășurate în spațiul respectiv sau tipul încăperii (tabelul 9.4);
b) alegerea tipului de sursă de lumină (a se vedea secț iunea 9.4);
c) calculul ariei suprafeței de lucru A = lungimea încăperii L lățimea
încăperii l;
d) stabilirea numărului nL de lămpi într -un corp de iluminat;
e) stabilirea fluxului luminos nominal (valoare de catalog) L pentru lămpile
care ar putea fi utilizate;
f) stabilirea factorului de menținere M (a se vedea tabelul 9.5 și fig. 9.7)
pentru a lua în considerarea murdărirea lămpilor precum și îmbătrânirea acestora;
g) stabilirea înălțimii H a sursei deasu pra planului de lucru (fig. 9.31);
h) cal culul indicelui i al încăperii din relația
) (lLHlLi. (9.17)
i) stabilirea factorului de utilizarea L din tabele cu caracteristici fotometrice
(indicate de furnizorii de aparate de iluminat), în fu ncție de indicele încăperii i și de
carac teristicile de reflexie ale pereților și tavanului;
j) calculul numărului necesar n de aparate de iluminat
L L Ln pA Enmed. (9.18)
k) rotunjirea valorii n pentru a obține o valoare întreagă și adecvată așezării
uniforme pe tavan.
258 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
H H
HE HE HP
Fig. 9 .31 Înălțimea sursei de lumină deasupra
planului de lucru pentru sursele cu reparțiție
directă și pentru cele cu repartiție indirectă și
semiindirectă:
H Înălțimea sursei deasupra planului de lucru;
HE Înălțimea planului de lucru; HP Distanța
de suspendare.
Metoda factorului de utilizare oferă, de cele mai multe ori, numai datele
principale ale instalației de iluminat: numărul de lămpi; tipul de lampă, plasarea
lămpilor pe tavan. Rezultă relativ puține informații privind modul de iluminare a
spațiului (numai valoarea medie a nivelului de iluminare). Pentru verificarea neuni –
formității nivelului de iluminare pe supraf ața de lucru și pentru determinarea curbe –
lor izolux trebuie efectuat un calcul mai detaliat. Metodele de calcul mai complete
permit obținerea curbelor de repartiție a nivelului de iluminare pe suprafața de
lucru și pe alte suprafețe din încăpere, pentru o configurație dată a surselor de
lumină.
Metoda punct cu punct este utilizată și în cazul iluminatului interior pentru
pentru c alcule mai exacte, cu luarea în considerație a aportul ui suprafețelor reflec –
tante (iluminat indirect ) care sunt considerate surse de lumină.
Nivelul de iluminare în metoda punct cu punct se determină pe baza relației:
2cos dd
rIE, (9.19)
în care d I este intensitatea luminoasă emisă de o sursă punctiformă în direcția ;
unghiul de incidență (unghiul dintre raza de lumină incidentă pe suprafața ana –
lizată și normala pe suprafată) și r distanța dintre sursa de lumină și suprafața
iluminată.
Calculul instalației de iluminat necesită următoarele date de intrare:
valoarea medie Emed a nivelului de iluminare pe suprafața de lucru;
factorul de neuniformitate a nivelului de iluminare pe suprafața de lucru
medmin2
maxmin1 sauEEKIEEKI , (9.20)
lungimea L și lățimea l ale suprafeței de lucru (de obicei suprafață
dreptunghiulară sau divizat ă în suprafețe dreptunghiulare);
un tabel cu sursele punctiforme posibil a fi utilizate (existente pe piață);
sursele de lumină se ordonează în tabel în funcție de fluxul luminos; prima sursă
din tabel prezintă fluxul cel mai mic; pentru fiecare sursă este cunoscută curba
Iluminatul electric 259
fotometrică I = f ().
Rezultatele de calcul trebuie să indice:
tipul lămpii utilizate;
câte lămpi trebuie montate;
unde t rebuie montate lămpile.
Programele de calcul utilizate determină nivelul de iluminare în centrul unor
suprafețe mici în care se împarte suprafața de lucru. V alorile determinate se
compară cu valorile impuse și , în final , se stabilește soluția propusă. Met oda este
exactă și oferă un mare număr de info rmații privind soluția adoptată. Rezultatele
obținute permit stabilirea numărului și tipului suselor de lumină utilizate și deci a
energiei consumate pentru iluminatul artificial.
9.5.2 Determinarea necesaru lui de energie electrică pentru
instalaț iile de iluminat exterior
Evaluarea energiei electrice necesare pentru asigurarea iluminatului exterior
se face printr -un calcul de dimensionare, utilizând metoda punct cu punct, plecând
de la condițiile specifice zonei analizate și a curbele fotometrice ale surselor de
iluminat utilizate.
Înstalația de iluminat trebuie dimensionată , în mod distinct , pentru carosabil
și pentru trotuar [9.9] .
Este necesar a fi cunoscute date privind densitatea vehiculelor , tipul de
acoperământ al străzii, lățimea, atât pentru carosabil , cât și pentru trotuar, tipul de
surse utilizate, înălțimea de prindere etc.
Străzile înguste sunt iluminate cu surse plasa te pe o singură p arte (fig. 9.32)
sau pe mijlocul străzii. Pentru străzile mai late, în mod obișnuit, se folosește
ilumi natul pe ambele părți (fig. 9.33).
W O H T
S
Fig. 9 .32 Iluminat stradal unilateral.
260 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
W O H T
S
H T
O
S
a)
W O H T
S
Fig. 9 .33 Iluminat stradal bilateral:
a) dispunere alternată; b) dispunere fața în față. H T
O
Dimensionarea instalației de iluminat pentru trotuare se face pe baza
valorilor impuse ale nivelului de ilumi nare, indicate în funcție de zona circulată și
importanța arterei. Dimensionarea instalațiilor de iluminat pe carosabil se face pe
baza valorilor impuse ale luminațelor și având în vedere suprapunerea contri bu-
țiilor diferitelor surse. Pentru cazul simpl u al unei surse d e lumină (fig. 9 .34)
luminanța în punctul P i rezultă din relația [9.10]
Pi Pit Pi EqM L , (9.21)
în care Mt = MlMa este factorul de menținere al sursei de lumină (produsul dintre
factorul de menținere al lămpilor Ml și factorul d e menținere al aparatului de
iluminat Ma), qPi – coeficientul de luminanță (mărime cunoscută, în funcție de tipul
sursei și de unghiurile și ), EPi – nivelul de iluminare în punctul P i .
Iluminatul electric 261
O xk y’k y
y”k S’k
S”k Pi
xi x
0,25 0,5 1,0
d = 60 m
O’ 1,5 m yi ’
H
Sk
Ic
P’i
Fig. 9 .34 Calculul instalațiilor de iluminat exterior.
Relația (9 .21) poate fi scrisă și sub forma
23cos
HI
qM Lc
Pit Pi
. (9.22)
Intensitatea luminoasă Ic a sursei de lumină, în direcția este cunoscută din
curba fotometrică indicată de constructorul corpului de iluminat pentru sursa
standard de 1000 lm
10001000 c c I I. (9.23)
în care este fluxul luminos al sursei utilizate, iar ( Ic)1000 se citește d in curba
indicată de fabricantul sursei .
În cazul general, în care sunt mai multe surse de lumină, luminața totală
(LPi)total rezultă prin însumarea contribuțiilor celor n surse de lumină
n
k kkck t PiHIr M L
12 total1
. (9.24)
În relația ( 9.24) s-a consider at că toate sursele au același factor de menținere
Mt și s-a notat cu rk expresia factorului de luminanță redus
3cosPi kqr. (9.25)
Valorile factorului de luminanță red us sunt tabelate pentru fiecare sursă și
diferite valori ale unghiurilor , și .
262 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Alegerea surselor de lumin ă se face pe baza relației ( 9.24), printr -un calcul
iterativ. Soluția obținută se verifică din punctul de vedere al factorului de neunifor –
mitate longitudinal, al factorului de neuniformitate transversal și al factorului de
neuniformitate global, pentru un interval dintre doi stâlpi succesivi, pe aceeași
parte.
9.5.3 Corpuri de iluminat pentru exterior
Corpurile de iluminat au rolul de a asig ura redist ribuția și transmisia fluxului
luminos emis de sursa (sursele) de lumină.
Un corp de iluminat cuprinde în principal următoarele elemente:
dispozitivul optic, care conține sursa (sursele) de lumină, unul sau mai
multe reflectoare, difuzorul și ecranul de protecție vizuală;
armătura mecanică, prevăzută pentru prin dere și protecție mecanică;
elemente auxiliare (circuite de ali mentare cu energie electrică, elemente de
reglare, bloc de pornire).
Un corp de iluminat este de finit în princip iu prin (fig. 9.35):
axa de referință;
axa optică;
randamentul luminos
lL
n. (9.26)
în care L este fluxul luminos emis de corpul de iluminat; l – fluxul luminos emis
de una dintre cele n surse de lumină plasate în interior ul corpului de iluminat.
Clasificarea corpurilor de iluminat:
din punct de vedere mecanic: 12 clase
IKxx, în care grupul de cifre xx indică energia
(J) șocului pe care îl poate suporta corpul (clasa
00 – neprotejat);
din punct de vedere electric: 4 clase 0,
I, II, III în funcție de nivelul de protecție la
electrocutare (clasa 0 – neprotejat);
din punctul de vedere al repartiției
intensității luminoase: 10 clase BZx (BZ1 curba
fotometrică cea mai îngustă).
Calitatea sistemului de iluminat exteri or
este determinat în mare măsură de valorile
factorilor de neuniformitate
factorul de neuniformitate global kg al luminanțelor pe toată zona de
carosabil
medgLLkmin. (9.27)
în care Lmin este luminanța minimă pe toată zona de carosabil, i ar Lmed este valoarea
medie a luminanței;
Axa
vertical
ă Axa de
referinț
ă Axa
optică Reflector
Sursa de
lumină
Fig. 9 .35 Caracteristici ale unui
aparat de iluminat.
Iluminatul electric 263
factorul kl de neuniformitate logitudinală pe axa străzii
max,min,
ll
lLLk
. (9.28)
în care Ll,min este luminanța minimă pe axa străzii, iar Ll,max – luminanța maximă pe
axa străzii.
Se consideră că rez ultă un iluminat corespunzător dacă kg 0,4, pentru care
probabilitatea de observare a obiectelor pe carosabil este peste 80% și dacă kl 0,7.
9.6 Verificarea circuitelor electrice ale instalațiilor
de iluminat
Modificări ale sistem elor de iluminat din cadrul unei întreprinderi, determi –
nate de schimbări în funcționalitatea unor spații sau de schimbări în dotarea
instalațiilor de iluminat, necesită verificarea adecvanței circuitelor electrice, pentru
a limita eventualele pierderi de energie (în cazul unor conductoare de diametru
insuficient pentru starea actuală a sistemului de ilminat) și pericolul de incendiu
determinat de supraîncălzirea conductoarelor.
Diametrul conductoarelor circuitelor electrice care alimentează instalații de
iluminat trebuie ales astfel încât , până la bornele lămpii , să nu rezulte o cădere de
tensiune mai mare de cât valoarea admisibilă Ua = 2,5% din tensiunea nominală
(230 V).
Instalațiile de iluminat care cuprind numai surse cu incandescență sau surse
fluorescente cu compensare completă a puterii reactive sunt caracterizate de un
factor de putere = 1.
Dacă în circuit sunt mai multe l ămpi cu incandescență (fig. 9.36) sau lămpi
fluorescen te cu compensare totală a puterii reactive (factor de putere unita r),
căderea de tensiune U , pentru ultima lampă din circuit, rezultă
n n U U U U U 1 2 1 (9.29)
sau
nn n n lI l I lIlIAU ' ' ' '2
1 1 22 11 , (9.30)
în care este rezistivitatea materialului ( = 17, 84109 m pentru conductoare
din cupru și = 29, 78109 m pentru conductoare din aluminiu), I'i curentul
electric din circuit ul i, A aria secțiun ii transversale a conductorului, li lungimea
circuitului i.
În relația (9 .30) s-a luat în considerație că într eg circuitul prezintă aceeași
arie a secțiunii transv ersale.
264 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
U ULn In In
In-1 In-1 I1 I2
I1 I2
Ln Ln-1 L2 L1
l1 l2 ln
Fig. 9 .36 Circuit cu mai multe lămpi electrice.
Se alege conductorul care prezintă o arie standardizată a secțiunii trans –
versale mai mare decât valoarea rezulta tă din relația
n
kkk
alIUA
1'2
, (9.31)
în care Ua este căderea admisibilă de tensiune, iar
n
kii k I I'
. (9.32)
Înstalațiile de iluminat cu lămpi fluorescente sunt caracterizate în mod
obișnuit printr -un factor de putere 1. Pentru aceste lămpi (f ig. 9.37), căderea de
tensiune poate fi scrisă sub forma
IjXIR UUUL . (9.33)
La dimensionarea circuitului se consideră numai căderea de tensiune
longitudinală U
U U . (9.34)
Din figura 9.37 se obține
sin cos0IlX IRU . (9.35)
U UL I
l L
UL
I RI U
U jXI R ; X
Fig. 9 .37 Circuitul electric al unei lămpi a) și diagrama fazorială
corespunzătoare b).
În figura 9.37 și în relația ( 9.35) se fac e ipoteza că tensiunea și curentul
electric din circuit prezintă o variație practic sinusoidală.
Relația ( 9.35) poate fi scrisă și sub forma
sin cos2
0 IlX IAlU. (9.36)
în care X0 este reactanța pe unitatea de lungime a liniei.
Din relația ( 9.36) rezultă
sincos 2
0 IlX UIlA
a. (9.37)
Iluminatul electric 265
În cazul mai multor lămpi fluorescente conect ate în același circuit (fig . 9.38)
condiția de dimensionare devine
n
kk k k an
kk k k
Il X UIl
A
101
' sin'' cos' 2
. (9.38)
U ULn In I’n
In-1 I’n-1 I’1 I’2
I1 I2
Ln Ln-1 L2 L1
l1 l2 ln
Fig. 9 .38 Circuit electric cu mai multe lămpi
fluorescente.
9.7 Principalele condiții pentru un iluminat
corespunzător
Auditarea , în domeniul iluminatului electric trebuie să înceapă prin verifi ca-
rea calității iluminatului existent pentru a se stabili dacă îndeplinește condițiile
luminotehnice pentru zona de lucru analizată . Nu mai dacă aceste condiții sunt
îndeplinite se continuă cu analiza posibilităților de reducere a consmurilor de
energie electrică.
O lumină de calitate este necesară pentru realizarea unui mediu luminos
optim în spații interioare și în exterior. La auditarea instalaț iilor de iluminat electric
trebuie avute în vedere aspectele care influențează calitatea luminii realizate [9.11] :
un nivel de iluminat corespunzător este determinant pentru eficiența
activităților; odată cu reducerea nivelului de iluminare scade eficien ța activității și
crește probabilitatea erorilor sau accidentelor;
o neuniformitate redusă a luminanțelor pe diferitele suprafețe determină
condiții optime de muncă; un contrast redus sau prea puternic devine supărător și
conduce la obosirea ociului uman ;
limitarea fenomenului de orbire asigură condiții corespunzătoare de
muncă; fenomenul de orbire poate fi deranjant și conduce la o suprasolicitare a
ochiului uman;
o corectă direcționare a luminii limitează apariția umbrelor accentuate;
o bună redar e a culorilor permite evaluarea corectă a culorilor reale;
un consum redus de energie prezintă un deosebit interes practic și poate fi
determinant în alegerea unei instalații de iluminat;
efectele reduse asupra rețelei electrice de alimentare , prin li mitarea dis –
torsiunii curentului electric absorbit, determină relațiile cu furnizorul de electrică.
9.8 Alimentarea cu energie electrică
266 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Eficiența sistemului de iluminat, optică și energetică , depind e, în mare
măsură, de calitatea energiei electrice î n circuitul de alimentare. De
asemenea, siste mele de iluminat conduc la apariția de perturbații
electromagnetice în rețeaua electrică de alimentare și , deci, pot afecta
calitatea energiei electrice livrată altor consumatori din zonă.
Variația tensiunii d e alimentare U față de tensiunea normată ( Ur = 230 V)
determină, mai ales în cazul lămpilor cu incandescență, o influență importantă
asupra parametrilor de funcționare ai lămpii. Creșterea tensiunii de alimentare
conduce la o drastică reducere a duratei de viață D, iar reducerea tensiunii conduce
la reducerea temperaturii filamentului și , deci, la modificarea compoziției spectrale
a luminii emise (crește ponderea componentelor roșu și galben) afectând calitatea
iluminatului. De asemenea, sunt influențate fl uxul luminos emis , eficiența
luminoasă și puterea absorbită P.
În caz ul lămpilor fluorescente variația tensiunii de alimentare are, în general,
o influență mai redusă decât în cazul lămpilor cu incandescență.
Realizarea unor parametri superiori ai si stemului de iluminat interior impune
controlul ten siunii de alimentare pentru a verifica încadra rea în limitele impuse de
2,5% față de tensiunea nominală.
Întrer uperile și golurile de tensiune determină inconfort vizual în cazul
lămpilor cu incandescen ță și a celor fluorescente, la care sistemul de iluminat
răspunde practic imediat la revenirea tensiunii la parametrii nominali.
În cazul lămpilor cu descărcare în vapori metalici de înaltă presiune, chiar la
întreruperi foarte scurte ale tensiunii de al imentare, rezultă întreruperi de durată
mare, 5 10 minute, datorită timpului de relansare. La utilizarea acestui tip de
lampă este necesar a adopta măsuri pentru asigurarea unui iluminat de siguranță
(dacă este necesar) pe durata timpului de relansare.
Conectarea sistemelor de iluminat în instalații de alimentare în care
tensiunea prezintă variații relativ dese (fluctuații) determină efect de flicker
(variații ale fluxului luminos emis) cu efecte importante asupra calității
iluminatului realizat. În ca zurile practice , se consideră că variațiile de tensiune sunt
acceptabile dacă sunt inferioare curbei de iritabilitate . Este obligația furnizorului de
energie electrică de a asigura în circuitul de alimentare un nivel de flicker inferior
curbei de iritabili tate.
Înstalațiile de iluminat pot introduce în rețeaua electrică de alimentare
perturbații electromagnetice:
armonice ale tensiunii de alimentare, determinate de caracteristica neliniară
a descărcării electrice;
nesimetrii, datorate faptului că lămpil e electrice sunt conectate pe fază;
perturbații de înaltă frecvență (în cazul balasturilor electronice);
căderi de tensiune datorate necesarului de putere reactivă (prezența
balastului inductiv la lămpile cu descărcare electrică).
Perturbațiile determi nate de iluminatul electric trebuie reduse sub limitele
acceptate și, în acest sens, audit orul energetic trebuie să monitoriz eze acest e pertur –
bații și să adopt e, împreună cu beneficiarul lucrării, măsurile necesare pentru limi –
tarea nivelului acestora.
Iluminatul electric 267
Nesimetriile determinate de sistemele de iluminat pot fi rezolvate, în cazul
general, printr -o judicioasă conectare a surselor de lumină pe cele trei faze , atunci
când racordul la consumator este trifazat. În cazul racordurilor monofazate, obli –
gația de a re zolva problemele de nesimetrie revin e furnizorului de energie electrică.
9.9 Reabilitarea și managementul sistemelor
de iluminat
Reducerea performanțelor cantitative, calitative sau energetice ale siste melor
de iluminat existente determină necesit atea evaluării posibilităților practice pentru
reabilitatea acestuia. Principalii parametri care sunt luați în considerare , la
realizarea unui audit și la elaborarea propunerilor, în analiza performanțelor
sistemelor de ilu minat sunt indicați în figura 9.39.
Reabilitarea sistemelor de
iluminat
Cantitativ
Echipament
Calitativ
Niveluri de
ilumi nare
reduse Repartiție ne –
corespunzătoare
de flux luminos
Repartiții
necorespunzătoare
de luminanțe în
câmp vizual
Direcționări ne –
corespunzătoare
Culori ne –
corespunzătoare
Fig. 9 .39 Necesitatea reabilitării instalațiilor de iluminat electric.
Analiza tehnică și economică permite stabilirea soluției optime pentru re bi-
litare. Principalele căi pentru reabilitarea unei instalații de i luminat sunt indicate în
figura 9 .40. Soluția finală adoptată depinde , atât de st area sistemului existent , cât și
de rezultatele analizei economice. Evident , rezultatele cele mai bune rezultă prin
reproiectarea sistemului, utilizând echipamente și tehnologii perfor mante și un sis –
tem eficient de management energetic.
La reabilitarea sistemelor de iluminat este necesar a lua în considerare urmă –
toarele aspecte principale:
tehnice (starea și tipul instalațiilor existente, caracteristicile surselor noi,
fezabilitatea tehnică, compatibilitatea sistemelor noi cu sistemul existent, p osibili –
tatea stabilirii clare a consumurilor pentru justificarea investiției);
financiare (fezabilitatea economică, valoarea duratei de recuperare a inves –
tiției, valoarea netă actualizată, rata internă de rentabilitate etc., sursele de finanțare);
umane (pregătirea personalului necesar utilizării noilor sisteme, informarea
beneficiarilor asupra modului de operare și a avantajelor sistemului).
268 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Soluții de reabilitare a instalațiilor
de iluminat interior
Înlocuirea surselor
de lumină existente
cu surse noi,
performante Înlocuirea corpurilor
de iluminat existente
cu corpuri noi,
performante
Înlocuirea completă a
sistemului de
iluminat existent Introducerea mana –
gementului energetic
al sistemului de
iluminat
Fig. 9 .40 Soluții de reabilitate a sistemului de iluminat.
În tabelul 9 .11 este indicată eficiența economică a unor măsuri pentru
modern izarea unui sistem de iluminat.
Tabelul 9.11
Eficiența unor măsuri de reabilitare a sistemelor de iluminat
Măsura adoptată Durata de recuperare a
investiției,
ani
Înlocuirea iluminatului incandescent prin:
lămpi fluorescente
lămpi cu vapori de sodiu de înaltă presiune
lămpi cu halogenuri metalice
2 3
4 5
4 5
Înlocuirea balastului electromagnetic cu balast
electronic
1 2
Înlocuirea lămpilor fluorescente normale cu
lămpi economice și balast electronic
5 7
Controlul sistemului de iluminat cu
programare în timp, celule fotoelectrice,
detector de prezență
< 1
Controlul adaptiv al sistemului de iluminat în
funcție de iluminatul natural
5 6
Controlul iluminatului de către un sistem
centralizat < 5
Zonarea sistemului de iluminat și folosirea în
funcție de necesități
4 5
Utilizarea iluminatului local, cu reducerea
ilumi natului general
1 2
Managementul inteligent al sistemelor de iluminat electric, cu utilizarea
eficientă a iluminatului na tural și limitarea iluminatului artificial la durata strict
necesară realizării funcțiilor sale, permite reducerea importantă a consumului de
energie electrică și în consecință a pierderilor de energie.
Principalele elemente asupra cărora se îndreaptă ate nția în cazul
managementului sistemelor de iluminat sunt indicate în figura 9.41.
La elaborarea propunerilor privind un management eficient al sistemelor de
iluminat electric este necesar a lua în considerare:
Iluminatul electric 269
componentele sistemului: corpuri de iluminat și surse;
parametrii spațiali: aria încăperilor, tipul de mobilă, configurația încăpe –
rilor, modul de utilizare a spațiului;
mentenanța sistemelor de iluminat.
Fig.9.41 Elementele principale în managementul sistemelor de iluminat.
Elemente principale în
managementul
surselor de iluminat Design -ul spațiului și
utilizarea sa
Lumina naturală
Sursele de lumină
Corpurile de iluminat
Controlul iluminatu lui
Întreținerea sistemelor
de iluminat
Realizarea unui ilu minat care să asigure un confort luminotehn ic
corespunzător, un iluminat eficient, cu costuri minime impune un control adecvat
al sistemului.
Principalele mijloace pentru realizarea unui iluminat efi cient sunt indicate în
figura 9 .42.
ILUMINAT EFICIENT
Mijloace de bază Mijloace secundare
Utilizarea de scheme
moderne de iluminat
(surse de lu mină, ba –
last, sis teme de
alimentare) Utilizarea
eficientă a ener –
giei electrice
Concepție Exploatare Corpuri de
iluminat
performante Controlul
fluxului
luminos Nivel de
iluminat
adaptat
Înlocuirea
lămpilor uzate Întreținera sur selor
(curățire periodică)
Lămpi Corpuri de
iluminat
Fig. 9 .42 Principalele mijloace pentru realizarea unui iluminat eficient
cu controlul consumului de energie electrică.
Analiza datelor din figura 9 .42 pune în evidență faptul că , în obținerea unui
270 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
iluminat eficient , și, deci, a unui confort luminos corespunzător, un rol important îl
au mijloacele secundare și , în special , operațiile de întreținere a instalațiilor de
iluminat: corpuri de iluminat, surse , dar și suprafețele reflectante ale încăperii. În
acest sens, controlul periodic al nivelului de iluminare, comparat cu valoarea de
proiectare, permite punerea în evidență a principalelor cauze care conduc la
reducerea eficienței sistemului de iluminat.
În cad rul propunerilor privind reducerea consumului de energie electrică în
sistemele de iluminat, principalele aspecte care trebuie luate în considerare sunt:
utilizarea de surse performante, cu eficiența energetică ridicată, pentru
echiparea instalației de iluminat;
utilizarea cât mai eficientă a iluminatului natural;
utilizarea senzorilor de prezență în infraroșu;
utilizarea programatoarelor de timp.
adoptarea unui sistem de tarifare convenabil.
Lumina naturală este cea mai confortabilă sursă de i luminat ambiental , iar
potențialul de utilizare a luminii naturale trebuie valorificat la maxim printr -o
atentă studiere a gradului de vitrare.
Pentru obținerea unui confort vizual și termic optim trebuie luată în
considerare lumina solară directă care pă trunde prin ferestre, precum și aportul de
căldură vara sau pierderea de căldură pe durata iernii, realizată prin ferestrele
insuficient izolante termic.
Utilizarea unor sisteme „inteligente ” de reglaj continuu al iluminatului
artificial în funcție de ilum inatul natural, conduce la economii importante de ener –
gie, reducerea pierderilor în sistemele de iluminat și un confort sporit al utilizatorilor.
Utilizarea eficientă a iluminatului natural este principalul mijloc prin care se
poate face o importantă eco nomie de energie electrică pentru iluminatul artificial.
Utilizarea sistemelor de control a nivelului de iluminare permite realizar ea
unor importante economii (fig. 9.43) la factura de energie electrică [9.5].
Nivelul economiilor realizate
Funcționare continuă 0%
30%
Cu detector de mișcare 50%
60% Cu controlul aportului
iluminatului natural
Cu combinația tuturor sistemelor
de control 75%
0 20% 40% 60% 80% Cu comuta tor comandat în timp
Fig. 9 .43 Nivelul economiilor realizate prin controlul iluminatului interior.
În cadrul ac țiunilor de îmbun ătățire a parametrilor luminotehnici și reducerea
Iluminatul electric 271
facturii de energie electric ă pot fi luate în considerare urm ătoarele ac țiuni:
înlocuirea corpurilor deteriorate și a celor neperformante cu corpuri noi cu
caracteristici luminotehnice superio are;
înlocuirea surselor vechi cu surse cu eficien ță energetic ă superioar ă, durat ă
mare de via ță și costuri reduse de exploatare;
reproiectarea sistemului de iluminat pentru amplasare și echipare optim ă;
sisteme moderne de urm ărire a consumului de energie electric ă și calit ății
energiei electrice livrat ă de furnizor;
limitarea perturba țiilor produse asupra re țelei electrice de alimentare
(regim nesinusoidal, nesimetric, putere reactiv ă); factorul de putere actual circa 0,8
determin ă penalit ăți pentru energia reactiv ă consumat ă;
sisteme de aprindere centralizat ă în func ție de nivelul iluminatului natural;
verificarea prin m ăsurători a nivelului de iluminare ;
demersuri pentru un sistem de facturare mai avantajos (consum de noapte)
– se poate face o economie de circa 30%;
monitorizarea consumului;
eficientizarea și cre șterea prom ptitudinii opera țiilor de exploatare; rela ții
precizate cu furnizorul de energie electric ă și prestatorul de servicii de întreținere.
modificarea nivelului d e iluminare pe timpul nop ții (orele 0 5) prin
reducerea tensiunii de alimentare (sisteme REVERBER sau MNEMOWATT) și
reducerea , astfel , a consumului de energie electric ă cu circa 41% ; puterea
absorbită de sistemele de iluminat stradal, pe timpul nopții ar putea avea variația
conform figurii 9 .44;
îmbun ătățirea iluminatului arhitectural.
Se apreciaz ă că prin utilizarea unor corpuri de iluminat și lămpi eficiente din
punct de vedere energetic, împreun ă cu o proiectare corect ă a sistemului de
iluminat , se poate asigura o reducere p ână la 65% din energia consumat ă în prezent
în instala țiile cu slabe performan țe luminotehnice.
12 18 24 6 12 t [ore] P
[kW]
Fig. 9 .44 Graficul de sarcină a l unui sistem de iluminat stradal
economic. 100% 100%
50%
9.10 Realizarea practică a instalațiilor de iluminat
În funcție de specificul locului de muncă, i nstalațiile de iluminat interior pot
fi realizate într -un dintre modurile prezentate în figura 9.45.
272 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
IPF
ICI
ICS IS
PP
SP
Fig. 9 .45 Moduri de realizare practică
a sistemelor de iluminat.
În clădirile administrative, cu scopuri culturale precum și în clădirile de
locuit sunt întâlnite instalațiile de tip ST (sub ten cuială), realizate în tuburi de
protecție plasate în/pe zidărie și acoperite de tencuială. Instalațiile de acest tip
asigură o fiabilitate ridicată circuitelor electrice, sunt însă scumpe și necesită o
durată relativ mare la execuție.
Instalațiile de tip IT (în tencuială) sunt realizate sub forma unor conductoare
electrice izolate electric dar neprotejate, plasate direct în tencuială clădirii. Sunt
întâlnite la cele mai multe dintre clădirile de locuit (blocuri de locuințe). Sunt
instalații relativ ieftine și care pot fi realiza te într-un interval redus de timp.
Instalațiile de tip PT sunt specifice clădirilor cu activități industriale. Sunt
realizate în tuburi de protecție, plasate pe suporți la câțiva centimetri față de perete.
Deși esre inestetic, acest tip de instalații permite realizarea și modificarea într -un
timp scurt, cu costuri reduse.
Instalațiile de tip IPF (în plafon fals) sunt din ce în ce mai întâlnite în
clădirile administrative. Sub plafonul fals sunt plasate toate tipurile de instalații
necesare clădirii (energie electrică, ventilație, încălzire, aer condiționat, circuite
informatice etc.).
Instalațiile de tip ICI (în canale îngropate) sunt realizate sub formă de canale
acoperite, practicate în pereții unei clădiri. Toate circuitele elect rice (inclusiv cele
informatice) sunt plasate în aceste canale, iar accesul are loc prin capace detașabile.
În instalațiile moderne ale clădirilor cu destinație comercială, administrativă sau de
cercetare, instalațiile sunt realizate sub forma unor canale aparente, permițând
accesul într -un mare număr de puncte și asigurând astfel adaptarea instalațiilor la
modificarea caracteristicilor încăperii.
Instalațiile de tip IS (în scafe) sun t specifice clădirilor administ rative sau de
locuit, cu confort ridicat. Instalațiile electrice, împreună cu sursele de lumină sunt
Iluminatul electric 273
plasate în scafe (elemente care fac parte din arhitectura clădirii). Se asigură un
iluminat indirect (modul de realizare a tavanului are un rol important în
transmiterea luminii), de calitate ridic ată.
Instalațiile de tip PP (pe poduri) sunt întâlnite în spațiile cu caracter indus –
trial sau de cercetare. Instalațiile electrice sunt p lasate pe poduri suspendate, la care
este posibil un acces simplu. Deși aspectul este inestetic, instalațiile sunt eficiente
și relativ ieftine.
Instalațiile de tip SP (sub pardoseală) sunt specifice spațiilor cu caracter in –
dustrial. Instalațiile electrice sunt plasate în canale practicate în podea, acoperite cu
plăci, cu acces simplu și posibilitatea simplă a expl oatării și dezvoltării instalației.
Criteriile de eficiență, posibilitate de adaptare a instalației la modificarea
funcționa lității încăperii, intervenție simplă, costuri reduse , dar și o estetică adec –
vată sunt principalele criterii privind realizarea p ractică a instalațiilor electrice
(inclusiv cele de iluminat) în încăperile cu caracter industrial, administrativ, de cer –
cetare. În acest sens, sunt dezvoltate soluții care răspund cel mai bine caracteris tici-
lor funcționale ale spațiului analizat.
În cadrul auditului este necesar să se verifice în ce măsură instalațiile
existente de iluminat artificial mai corespund condițiilor actuale de protecție a
persoanelor și a protecției la defecte în instalație.
9.10.1 Realizarea instalațiilor de iluminat int erior
Modul concret de realizare a circuitelor electrice (iluminat și putere) într -o
clădire depinde , în primul rând , de puterea consumată și de tipul de echipamente
electrice din dotare.
În cazul clădirilor cu puteri consumate relativ reduse, alimentare a cu energie
electrică se realizea ză în schemă monofazată (fig. 9.46). Rețeaua electrică de
alimentare are două conductoare: un conductor de fază F și un conductor neutru și
de protecție PEN. Prin intermediul unui racord este conectat blocul de măsurare și
protecție BMP.
Protecția circuitului la supratensiuni , determinate de căderea trăsnetului în
rețeaua electrică sau în apropierea acesteia , este realizată cu ajutorul descărcă toa-
relor cu oxizi metalici DOM (curentul de impuls nominal 15 kA; tensiunea la
borne, la curentul de impuls nominal, 1,3 kV).
Întreruptorul (disjunctorul) I este dimensionat, în mod uzual, pentru a
permite întreruperea unor curenți de defect până la 10 kA. Dispozitivul de
deconectare D asigură întreruperea circuitului la apariția u nei suprasarcini (releul
bimetalic PI), a unui scurtcircuit în instalație (releul electromagnetic PS), a unei
supratensiuni accidentale în rețeaua de alimentare (releul DSP reglat la 270 V)
precum și a unei diferențe între cur entul electric pe fază și cel din conductorul
neutru (releul diferențial DDR reglat la 300 mA).
Blocul de măsurare și protecție cuprinde o legătură la priza de pământ locală,
la care se conectează și conductorul PEN al rețe lei electrice de alimentare. Se
realizează astfel separarea c ircuitului neutru N de conductorul de protecție PE (cele
două circuite nu trebuie să aibă nici o altă legătură electrică în întreaga instalație).
Cont orul de energie electrică kWh asigură înregistrarea energiei consumate.
274 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
F
PEN Rețea electrică
de alimentare
Racord
DOM
D
I
PI
PS
DDR 300 mA
DSP
kWh Bloc măsurare și
protecție (BMP)
Coloană
F
N
PE
I
PI
PS Tablou
DDR 30 mA D
M F
N
PE PST
Motor Priză mon – Priză mono –
electric fazată cu contact fazată cu contact
monofazat de protecție de protecție și
protecție la
supratensiuni Circuit de putere PI
PS
DDR 30 mA D
C C Circuit de
iluminat
Aparate de iluminat F
N
PE
Fig. 9 .46 Circuit electric monofazat pentru alimentarea circuitelor de iluminat
și putere într -o clădire. I Bară de legare la priza de pământ
De la ieșirea blocului de măsurare și protecție sunt alimentate, prin interme –
diul unor coloane , tablourile (sau un singur tablou) din care se alimentează diferi –
tele circuite din incintă. Toate circuitele care pleacă de la tablou cuprind trei con –
Iluminatul electric 275
ductoare: F, N, PE.
La fiecare dintre tablouri sunt conec tate, în mod separat, circuitele de
iluminat și cele de putere, care alimentează prizele monofazate din incintă și alte
receptoare. Fiecare dintre circuite este protejat la supracurenți (releu PI), la
scurtcircui te (releu PS) și la curent diferențial (releu DDR). Selectivitatea verticală
a protecției dife rențiale se realizează prin reglarea la 30 mA a protecției circuitelor
care pleacă din tablou (între circuitele care pleacă din tablou se realizează
selectivitate a orizontală ).
Prizele monofazate care alimentează receptoare sensibile la supratensiuni (de
exemplu receptoare informatice) sunt protejate suplimentar cu varistoare (circuit
PST). Partea metalică a aparatelor de iluminat, dacă acestea sunt acc esibile, t rebuie
legată la conductorul de protecție.
Întreruperea circuitelor de iluminat se face cu ajutorul comutatoarelor C
conectate pe circuitul de fază al instalației.
În cazul clădirilor care necesită putere mai mare sau are o serie de receptoare
trifazate (fig. 9.47), aparatele iluminat sunt repartizate pe cât posibil uniform pe
cele trei faze.
9.10.2 Realizarea instalațiilor pentru iluminat exterio r
La realizarea circuitelor de iluminat exterior și , în special , a celor de iluminat
stradal, având în vede re și lungimea relativ mare a circuitelor, se acordă atenție
încărcării egale a fazelor rețelei electrice. În acest scop, din tabloul de iluminat (fig.
9.48), sunt alimentate alternat aparatele de il uminat de pe cele trei faze sau sunt
realizate circuite m onofazate , cu încărcare practic egală , repartizate uniform pe cele
trei faze.
Controlul valorii curentului electric prin lampă, pentru asigurarea adaptării
nivelului de iluminare la trafic , se poate face centralizat sau individual. În primul
caz, aliment area din postul de transformare se face prin intermediul unei instalații
de reglare IR (transformator cu prize sau alt dispozitiv de reglare) pentru a asigura
adaptarea nivelului de iluminare la categoria străzii, având în vedere că , pe durata
nopții (într e orele 0 4), din punct de vedere luminotehnic, o ar teră poate fi
declasată din cauza modificării traficului. De asemenea, fiecare lampă poate primi
centralizat un impuls pentru comuta rea pe regimul economic (fig. 9.49 ).
În cel de al doilea caz, disp ozitivul de reglare este inclus în aparatul de
iluminat.
9.11 Concluzii
Iluminatul electric modern contribuie la realizarea unor condi ții
adecvate desf ășurării activit ăților umane în centrele urbane și rurale, precum și o
important ă reducere a num ărului de accidente și agresiuni asupra persoanelor.
Un iluminat de calitate are un efect psihologic important, oamenii au o
eficiență în muncă m ai ridicată, un grad mai redus de oboseală, cu efecte benefice
asupra nivelului de sănătate [9.12, 9.13] .
276 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
A
B
C
PEN Rețea electrică
de alimentare 3 230/400 V; 50 Hz
DOM
D
I
PI
PS DDR
300 mA
DSP Bloc măsurare și
protecție (BMP)
Coloană
A
B
C
N
PE
I
PI
PS Tablou
DDR 30 mA D
M A
B
C
N
PE
PST
Motor Priză mon – Priză mono –
electric fazată cu fazată cu
trifazat contact contact de
de protecție protecție și
protecție la
supratensiuni Circuit
de putere PI
PS
DDR 30 mA D
C Circuite
de iluminat
Corpuri de iluminat
F
N
PE
Fig. 9 .47 Circuit electric trifazat pentru alimentarea circuitelor de iluminat
și putere într -o clădire. I Bară de legare la prize de pământ
kWh
C PI
PS
DDR 30 mA D
C I
C F
N
PE
Corpuri de iluminat
Iluminatul electric 277
20 kV; 50 Hz A
B
C
A
B
C
PEN S
I1
Transformator
20/0,4 kV
I2
3 230/400 V; 50 Hz
Echipament
de reglare a
tensiunii I3
3 (230 180/
(400 310) V ; 50 Hz A
B
C
PEN
a) b)
Fig. 9 .48 Alimentarea cu energie electrică a instalațiilor de iluminat stradal:
a) succesiv pe cele trei faze; b) circuite separate pe fiecare fază.
Igniter Comandă centra –
lizată sau locală
Balast
230 V;
50 Hz C L
Fig. 9 .49 Reglarea nivelului de iluminare
la lămpile cu descărcare în vapori de sodiu
de înaltă presiune.
278 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În cadrul auditului, se va urmări ca economiile la factura energetică pentru
iluminatul artificial să nu fie făcute prin reducerea confortului vizual , ci prin
înlăturarea consumur ilor inutile.
Lămpile cu descărcare în vapori metalici (cu mercur, cu halogenuri metalice,
cu sodiu) de înaltă presiune (HID) sunt utilizate în general pentru iluminatul
exterior sau pentru iluminatul halelor înalte. Lămpile cu vapori de mercur sunt cu
eficiență redusă și utilizarea lor este evitată. Lămpile cu vapori de sodiu au
eficiența ridicată , dar o redare mediocră a culorilor. Lămpile cu halogenuri
metalice au o bună redare a culorilor și pot fi utilizate în interior sau în exterior.
Dezavantajul lor constă în durata relativ ridicată de lansare și de relansare.
Trebuie remarcat faptul că î ncep să fie folosite diodele luminiscente (LED)
cu durată d e viață până la 20 ani și eficiență ridicată .
Nivelul de iluminare recomandat este stabilit pe baza unor studii tehnico –
economice compar ând costul instala ției de iluminat și pierderile indirecte datorate
costurilor sociale, accidentelor și agresiunilor pe timp de noapte. Reducerea
nivelului de iluminare sub valorile recomandate determin ă o cre ștere rapid ă a
pierderilor indirecte. Din această cauză , economia de energie electric ă necesar ă
sistemelor de iluminat nu se poate ob ține prin reducerea nivelului de iluminare , ci
numai prin utilizarea de instala ții de iluminat performante, cu o plasare optim ă a
surselor de lumin ă [9.14, 9.15] .
În cazul iluminatului exterior pot fi ob ținute economii importante în
consumul de energie electric ă prin realizarea unui iluminat adaptabil traficului
(reducerea nivelului de iluminat pe durata activităților reduse ) și nivelului d e
iluminat natural.
Lucr ările de reabilitare și extindere a sistemelor de iluminat au pus în
eviden ță faptul c ă înlocuirea instala țiilor actuale de iluminat artificial cu instala ții
performante este justificat ă și economic, realiz ându-se o recuperare a i nvesti ției,
pe baza economiei de energie electric ă și fără a lua în considera ție pierderile
indirecte, în 1,1 2 ani.
Reabilitarea schemelor de alimentare cu energie electric ă necesită și adopta –
rea de m ăsuri pentru limitarea perturba țiilor (armonice , nesimetrii) determi nate, în
rețeaua electric ă de alimentare , de sistemele moderne de iluminat .
Pentru iluminat se folosește o importantă cantitatea de energie electrică,
circa 20 25% din energia consumată în clădiri fiind folosită pentru iluminatul
artificial. În acest fel, sistemele de iluminat e lectric degajă o cantitate de că ldură
suplimentară, reprezentând 15 20% din sarcina de răcire a sistemelor de
condiționare a aerului.
În calculele practice, datorită pierderilor electrice în sistemele de
iluminat în clădiri, se poate lua în considerație un nivel de pierderi de 20
25 W/m2 în sistemele actuale de iluminat având preponderent lămpi cu
incandescență și 8 10 W/m2 în instalațiile moderne de iluminat electric.
Energia consumată de siste mele de iluminat electric și , în consecință , pierde –
rile de energie trebuie minimizate fără a reduce confortul vizual al utilizatorilor
sistemelor respective.
Iluminatul electric 279
Principalele două metode pentru reducerea consumurilor de energie electrică
în sistemele de ilumi nat sunt :
reducerea puterii absorbite prin utilizarea de surse de lumină performante
energetic și prin utilizarea eficientă a iluminatului artificial;
reducerea duratei de utilizare a surselor de lumină prin eliminarea , cu
ajutorul detectoarelor de pre zență sau a programatoarelor de timp , a intervalelor de
timp în care nu este necesară asigurarea iluminatului artificial.
Reducerea consumurilor de energie electrică , în cazul instalațiilor de
iluminat, se poate face numai cu realizarea integrală a parame trilor luminotehnici
impuși. Printr -un management adecvat, respectând această condiție de bază , este
posibilă realizarea unor importante economii de energie electrică. În prezent există
soluții tehnice pentru a asigura un confort vizual cores punzător cu un consum
minim de energie electrică.
În managementul energiei pentru iluminat pot fi utilizate următoarele
mijloace:
zonarea spațiilor de iluminat și utilizarea adecvată a iluminatului
artificial;
reglarea adaptivă a nivelului de iluminat artificial î n funcție de nivelul
iluminatului natural;
utilizarea senzorilor de prezență;
utilizarea senzorilor de nivel de iluminat;
relarea în funcție de timp pentru zonele cu program fix.
La realizarea instalațiilor de iluminat artificial trebuie să se aco rde o atenție
deosebită și componentei estetice în afara componentelor luminotehnice și econo –
mice. Reducerea consumului de energie electrică pentru iluminat, cu menținerea
confortului ambiental, este posibilă printr -un management corespunzător a instala –
ției de iluminat; sistemul informatic de control al iluminatului permite reducerea cu
până la 75% a necesarului de energie electrică .
280 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Bibliografie
[9.1] Bianchi C. ș.a. Sisteme de iluminat interior și exterior , Matrix Rom, București, 1998 .
[9.2] *** CIE Guide on interior lighting , nr.29/2, 1986.
[9.3] Bianchi C. ș.a., Sisteme de iluminat interior și exterior . Concepție . Calcul . Soluții ,
Editura
Matrix, București, 1998.
[9.4] *** Zumtobel Staff Luxmatte – Light Management , 1997
[9.5] *** Normativ de proiectare , execuție “Iluminatul artificial pentru interiorul
clădirilor ”
Universitatea Tehnică de Construcții, București, 2002.
[9.6] Moroldo D., Iluminatul urban . Aspecte fundamentale , soluții și calculul sistemelor
de iluminat ,
Editura Matrix, București, 1999.
[9.7] Ton M. ș.a., LED Lighting Technologies and Potential for Near -Term Applications ,
Ecos Consulting , http://www.dwalliance.org
[9.8] *** The role of electricity . A new path to secure, compe titive energy in a carbon –
contrainned world , EURELECTRIC, March 2007.
[9.9] *** Recommendations for the lighting of roads for motor and pedestrian tarffic ,
Technical
Report, CIE 115 – 1995.
[9.10] *** Guide to the lighting of urban areas , Technical Report, CIE 136 – 2000.
[9.11] Pop F. Ghidul centrului de ingineria iluminatului . Managementul energiei . Costurile
iluminatului , Editura Mediamira, Cluj -Napoca, 2000.
[9.12] *** Commisson internationale de l’eclairage (CIE)
http:// www.members.eunet.at/cie/
[9.13] *** Energy Efficiency and Renewable Energy Network (EREN)
http://www.eren.doe.org/
[9.14 ] *** International Association for Energy -Efficient Lighting )IAEEL)
[9.15 ] *** Lighting Research Center (LRC) http://www.lrc.rpi.edu/
10
CALITATEA ENERGIEI ELECTRICE
10.1 Aspecte generale
O eficiență ridicată în procesele în care se u tilizează energia electrică nu
poate fi obținută fără o calitatea ridicată a energiei utilizate. Nivelul de calitate a
energiei electrice este evalu at printr -un set de indicator i specifici. Abaterile admise
de la indicatorii de calitate sunt stabilite în funcție de daunele determinat e în
sistemele de producere, transport, distribuție, furni zare și la utilizatorii finali de
energie electrică.
Norme le actuale de calitate a energiei electrice sunt stabilite pe baza unor
daune medii care apar în cazul abaterilor de la indicatorii de calitate. Utilizatorii
care doresc o calitate superiaoră celei standard trebuie să adopte, cu costurile
corespunzătoare, măsurile necesare creșterii nivelului de calitate. Se constată că, î n
multe situații , în special în cazul tehnologiilor moderne, consumatorii sunt cei care
determină importante perturbații electromagnetice, care ar putea să afect a calitatea
energiei electr ice furnizată celorlalți consumatori. În ac est caz, consumatorii sunt
cei care trebuie să adopte măsurile necesare pentru limitarea perturba țiilor la un
nivel maxim admis în rețelele electrice publice .
Rezolvarea problemelor de calitate a energiei electr ice reprezintă un proces
complex în care este necesară o colaborare strânsă între consumatorul de energie
electrică și furnizor. Consumatorul evaluează calitatea energiei electrice prin
monitorizarea tensiunii la barele de alimentare, iar furnizorul monito rizează pertur –
bațiile intro duse de consumator pe curba curentului electric absorbit de acesta.
Din punct de vedere practic, problemele de calitate a energiei electrice pot fi
împărțite în trei categorii:
calitatea tensiunii de alimentare;
calitatea serviciului de alimentare;
calitatea comercială.
Aspectele legate de calitatea comercială (satisfacția consumatorului în relația
cu furnizorul de energei electrică) determină în mare măsură opțiunea consu mato-
rului pentru contracte cu un anumit furnizor. Aceste aspecte nu vor fi analizate în
continuare, fiind o componentă a unei activități normale pe o piață liberalizată de
energie electrică.
280 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
10.2 Perturbații electromagnetice
Perturbațiile electromagnetice care pot afecta mediul electric sunt ind icate în
tabelul 10.1 [10.1].
Tabelul 10.1
Perturbații electromagnetice în mediul ambiant
Tipul perturbației Modul de
transmisie Perturbația
De joasă frecvență Conduse armonice ;
interarmonice ;
variația frecvenței tensiunii de
alimentare;
fluctu ații de tensiune ( efect de flicker);
goluri și întreruperi de tensiune;
variații ale tensiunii de alimentare;
componenta continuă în curba tensiunii
aplicate;
tensiuni de semnalizare;
tensiuni induse de joasă frecvență.
Radiate câmp magnetic;
câmp electric.
De înaltă frecvență Conduse tensiuni sau curenți electrici induși;
tensiuni tranzitorii unidirecționale;
tensiuni tranzitorii oscilante.
Radiate câmp magnetic;
câmp electromagnetic:
– unde întreținute;
– unde tranzitori i.
Descărcări
electrostatice Încărcarea electrostatică a corpurilor
izolate electric.
Impuls electro –
magnetic nuclear Explozie nucleară în atmosferă.
Din punctul de vedere al calității energiei electrice prezintă importanță ,
practic , numai perturbaț iile de joasă frecvență conduse, pentru fiecare fiind definiți
indicatori specifici care să permit să se caracterizeze nivelul perturbației și să se
compare cu nivelul admis al perturbației.
Perturbațiile electroma gnetice d din rețelele electrice au un caracter aleatoriu
și pot fi definite prin curba de densitate de proba bilitate p(d) (fig. 10 .1).
Echipamentele conectate în rețeaua electrică prezintă o anumită suscepti –
bilitate la perturbații care poate fi definită prin curba de probabilitate P(d). Riscul
apariției unor daune determinate de perturbațiile electromagnetice asupra unui
echipament rezultă din relația
0δ)()( d dPdp R
(10.1)
Calitatea energiei electrice 281
și corespunde ariei suprafeței hașurate din figura 10 .1.
Nivelurile de compatibilitate sunt mărimi norma te (pe plan internațional) și
reprezintă mărimi de referință în analiza comportării echipamentelor electrice în
prezența perturbațiilor. În realitate , măsurile adoptate pentru limitarea nivelului de
perturbație iau în considerare o valoare mai redusă numit ă nivel de planificare.
Valorile de planificare sunt valori recomandate și pot fi adaptate la condițiile
locale. În cazurile practice, nivelul de planificare se stabilește astfel încât
probabilitatea sa de depășire să fie redusă (sub 5%).
p(d)
P(d)
1
Probabilitatea P(d) de
susceptibilitate a
echipamentului
Densitatea de
probabilitate p(d)
a perturbației
Risc de incompatibilitate
d Marja de emisie Nivel estimat al
perturbației
Nivel planificat al
perturbației
Nivel de
compatibilitate
Nivel test de
imunitate
Marja de imunitate
Marja de
compatibilitate Limita de imunitate
a echipamentului
Fig. 10 .1 Reprezentare grafică a principiilor compatibilității electromagnetice. p(d) p(d)
d Nivel de
compatibilitate
circa 6%
În general, echipamentele electrice sunt dimensionate pentru a suporta per –
turbații mai mari decât nivelul de compatibilitate, fiind stabilit, de către producător,
un nivel test de imunitate.
Unele dintre perturbațiile din rețelele electric e apar în regim normal de
funcționare (sarcini perturbatoare), iar altele apar în regimuri de avarii sau po st
avarii (fig. 10 .2).
Principalele echipamente pertu rbate sunt indicate în tabelul 10 .2 [10.2], iar
principalele echipamente perturbatoare sunt indi cate în tabelul 10.3 [10.2].
În tabelul 10 .2 sunt prezentate și unele soluții posibile:
A modificarea structurii rețelei electrice (linii electrice dedicate, transfor –
matoare individuale etc.);
B o a doua alimentare;
C instalarea de invertoare, gr upuri cu volant, grupuri autonome;
282 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
D alimentare la tensiune contin uă, temporizarea releelor;
E instalare de protecție ultrarapidă.
În tabelul 10 .3 sunt indicate și unele soluții pentru limitarea nivelului pertur –
bațiilor determinate de funcționarea echipamentelor :
Calitatea energiei
electrice
Calitatea serviciului de
alimentare Calitatea tensiunii
de alimentare
Întreruperi de lungă
durată Avarii
Întreruperi de scurtă
durată;
Goluri de tensiune;
Supratensiuni;
Abateri de frecvență. Sarcini pert urbatoare
Variații rapide de
tensiune;
Fluctuații de tensiune ;
Nesimetrie;
Armonice ;
Interarmonice ;
Regimuri tranzitorii;
Componentă continuă.
Fig. 10 .2 Componente ale calității energiei electrice. Calitatea
comercială
A creșterea curentului electric de scurtcircuit în nodul de racordare;
B modificarea structurii rețelei electrice de alimentare (alimentare sepa –
rată, transformator individual etc.);
C1 instalarea de f iltre de absorbție;
C2 instalarea de filtre refulante;
D compensarea statică a puterii reactive;
E instalarea de baterii de condensatoare;
F fracționarea sarcinii;
G circuite limitatoare de supratensiuni;
H utilizarea de cabluri duble (d e ducere și de întoarcere);
I ecranare;
J pornire stea -triunghi sau cu soft starter;
K alegerea adecvată a tipului de punte (hexafazat sau dodecafazat pentru
convertorul de frecvență.
10.3 Indicatori de calitate a energiei electrice
Abaterile mă rimilor specifice energiei electrice, în raport cu mărimile ideale,
sunt evaluate cu ajutorul unor indicatori specifici. Din punct de vedere practic, sunt
analizați separat indicatorii care pot fi controlați , în special , de furnizorul de ener –
gie electrică (abaterile de frecvență, întreruperile de lungă durată) de cei care pot fi
Calitatea energiei electrice 283
controlați, în primul rând , de către consumatoru l de energie electrică (armonice ,
nesimetrie, interarmonice , fluctuații de tensiune etc.).
284 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Echipamentul Variații de tensiune (1) Supra – Armonice Nesimetrii Perturbații Remedii Observații
a b c tensiuni (2) (3) (4) radiate (5) posibile
Iluminatul electric (1) Lămpile fluorescente sunt afectate
de un gol de
(pentru iluminatul tensi une de 50% timp de 100 ms.
incandescent curba de * * * * * (2) O creștere de tensiune cu10%
reduce durata
flicker este indicată în de viață cu 50% .
SR CEI 61000 -4-15) (3) În cazul lămpilor cu descărcare
electrică
Cuptor cu inducție (2) Sensibilita te la supratensiuni
tranzitorii în
electromagnetică * rețeaua electrică de alimentare.
Contactoare, relee * D
Compresoare * * (1) Sensibilitate la demarare cu
tensiune redusă
( 15%) și la întreruperi repetate
Cuptoare electrice de * B (1) Sensibilitate la întrerupe ri peste o
oră.
topire
Încălzire materiale * *
dielectrice (IF și UIF)
Cuptoare cu plasmă, (1) Sensiblitate la întreruperi de la
câteva minute
fascicul d e electroni, * * B la câteva ore
laser.
Motoare asincrone și * * * *
sincrone
Redresoare comandate * * * *
Invertoare * * * E
Comenzi nume rice, (1) Sensibilitate la variații de tensiune
calculatoare, sis teme * * * * * * * A, C
informa tice
Procese industriale în În funcție (1) Sensibilitate la variați i de tensiune
și la
general * * * de caz, întreruperi de scurtă durată. De
regulă sensi –
A,B, C bilitatea apare la sistemul de
comandă.
Echipamente electrice
perturbate Tabelul
10.2
Calitatea energiei electrice 285
Variații de tensiune Supra – Armo – Inter – Energie Radiații
Echipamentul Puterea (1) tensiuni nice armonice reactivă electro – Observații
a b c (2) (3) (4) (5) magnetice (6)
(1)În momentul conectării, când
puterea co –
Echipamente de nectată este mare în raport cu
puterea de scurt –
de încălzire 1 35 kW A, F A, F C1 circuit a rețelei.
cu rezistoare (2) În cazul unor comenzi
electronice.
(tran – (1) În momentul conectării, când
puterea conec –
Instalații de încăl – A, F A,F zitorii) C1 H tată este mare în raport cu
puterea de scurt –
zire de JT G (2) În cazul unor comenzi
electronice
(6) La utilizarea cablurilor fără
ecran metalic.
Transformatoare (tran – (2) Supratensiuni tranzitorii în
monetul conec –
JT/FJT zitorii) tării și deconectării
transformatorului.
(pentru încălzire) G
Iluminat electric A,F C1 I (1) și (6) Conectarea lămpilor
electrice.
(3) Regulatoare de lumină.
Cuptoare cu inducție (1) Dacă reglarea este
bipozițională.
electromagnetică A C1 I (3) Generare de armonice
25 kHz< f < 35 kHz (4) Emisia în rețea de frecvențe
medii;
(6) Risc de radiații de medie
frecvență.
Cuptoare 1 2 kW E (6) În caz de defect pot să apară
și alte
cu microunde perturbații
Compresoare 200 W A (1) Supracurenți la pornire
(pompe de căldură) 10 kW
Tabelul
10.3 Echipamente electrice
perturbatoare
286 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Încălzire industrială 10 kW A, B A, B (1b) Comandă electronică
indirectă cu 2 MW F F C1 (1c) În momentul conectării
rezistoare (3) În cazul unei reglări
electronice
Cuptoare cu 100 kW
reziste nță electrică 80 MW A, B
cu încălzire directă
Cuptoare cu arc 3 100 A, B A,B C1 C1, C2 C1 I (4) Emisie de armonice
electric MW D
Încălzire cu inducție 10 C1 C1, C2 C1 I
electromagnetică 2000 kW
Încălzire dielectrică 10 600 I
cu IF kW
Încălzire cu 10 100 I
microunde kW
Motoare asincrone Până l a A, B, (1) Supracurenți la pornire
cu pornire directă 10 MW J
Motoare asincrone 1 20 K, C1 C1 (4) Emisie de interarmonice
cu viteză variabilă MW
Convertoare statice Până la (perma – (2) Frânare cu recuperare de
energie
(lamoniare, 10 MW nent) K, C1 C1 (3) Determinate de fenomene de
comutație
electroli ză etc.) A
Până la (4) Emisie de interarmonice cu
frecvența
Cicoloconvertoare zeci de C1 C1, C2 C1 sub 50 Hz
MW
Sudare cu arc A, B A, B A
electric
Sudare cu rezistență 100 kW A, B A
electrică MW
Cuptor cu plasmă Câțiva
MW Tabelul 10.3
(continuare)
Calitatea energiei electrice 287
În general, abaterile de la para metrii ideali nu pot fi definite printr -un singur
indicator, astfel că pentru fiecare tip de perturbație este utilizat un set de indicatori,
iar în activitatea practică este necesar să fie monitoriza ți toți indicatorii sau numai
cei mai rel evanți pentru ca zul analizat.
Indicatorii de calitate și limitele acestora sunt normați pentru punctul comun
de cuplare (PCC) cu rețeaua publică. În nodurile rețelei industriale pot fi adoptați și
alți indicatori specifici de calitate, care să ofere cele mai relevante i nformații pentru
consumatorul respectiv.
10.4 Abateri de frecvență
10.4.1 Indicatori privind abaterile de frecvență
Frecvența tensiunii de alimentare este definită ca frecvența de repetiție a
curbei fundamentale a tensi unii, măsurată pe un anumit int erval de timp. Ea se de –
termină ca valoare medie la 10 s. Deoarece frecvența din sistemul electro energetic
nu este exact 50 Hz, în intervalul de 10 s poate fi cuprins un număr neîntreg de pe –
rioade. Frecvența fundamentală se determină ca raportul dintre numărul întreg de
perioade cuprins în intervalul de 10 s și durata cumulată a acestora [10.3].
În principal, pentru caracterizarea frecvenței într -un sistem de energie sunt
utilizați următorii indicatori [10.4]:
abaterea de frecvență f, ce permit e eva luarea variațiilor lente ale frecvenței
fffr , (10.2)
în care fr este frecvența normată (50 Hz), iar f frecvența reală;
abaterea relativă de frecvență f [%]
100 [%]ε
rrffff, (10.3)
integrala abaterilor de frecvență pe durata unei zile, necesară pentru eva-
luarea funcționării corecte a ceasurilor sincronizate cu frecvența rețelei electrice
24
0dtf If
, (10.4)
Valoarea nominală a frecvenței tensiunii de alimentare , în Europa, este de
50 Hz. În condiți i normale de funcționare valoarea medie a frecvenței armonicei
funda mentale de tensiune , măsurată pe un interval de 10 s trebuie să fie în do meniul
pentru sistemele interconectate sincron [10.5] :
50 Hz 1% (adică 49,5 50,5 Hz) pent ru 99,5% din an;
50 Hz +4%/ 6% (adică 47 52 Hz) pentru 100% din an;
pentru sistemele care nu sunt conectate sincron cu un sistem interconectat
(de exemplu sisteme le insularizate) [10.5]:
50 Hz 2% (adică 49 51 Hz) pentru 95% din an;
50 Hz 15% (adică 42,5 57,5 Hz) pentru 100% din an.
Trebuie remarcat faptul că și unii consumatori pot efectua servicii de reglare
a frecvenței în sistem prin deconectarea un or receptoare ce corespund procese lor
tehnologice care pot fi reali zate și în alte momente, fără a fi afectate în mod im por-
288 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
tant produsele sau serviciile realizate (de exemplu, sisteme de încălzire a apei,
sisteme de pompare etc.). Acest serviciu este plătit și este apelat de către operatorul
de sistem , pe baze concurenț iale, de pe piața de servicii de sistem.
10.4.2 Caracteristicile de frecvență ale receptoarelor de energie
electrică
Interconectarea sistemelor electroenergetice și măsurile adoptate pentru
menținerea frecvenței în limitele impuse, face ca abaterile de la valorile normate să
fie fenomene foarte rare. În acest fel, în analiza influenței variațiilor de frecvență
asupra utilizatorilor finali se poate lua în considerație numai un interval redus de
variație, de circa 3 Hz în jurul valo rii nominale , și pentru durate relativ reduse.
Pentru domeniul real de variație a frecvenței (fig. 10.3), cea mare parte dintre
consumatorii alimentați direct din rețeaua electrică publică , nu sunt afectați.
f [Hz]
50,005
50,000
49,995
49,990
49,985
49,980
0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 t [ms]
Fig. 10 .3 – Variația frecvenței pe durata a 500 s.
Instalațiile consu matorului cuprind , în prezent , din ce în ce mai multe siste –
me de antrenare cu motoare asincrone alimentate prin intermediul conv ertoarelor
de frecvență, care asigură reglarea vitezei de rotație a motorului asincron în li mite
largi, în cazurile reale, de la zero până la dublul vitezei de rotație obținută l a alimen-
tarea la 50 Hz (fig. 10 .4). Pentru echipamentele din circuitul de frecvență va riabilă
este necesar să fie cunoscute caracteristicile acestora la modificarea frecvenței.
Analiza comportării mot orului asincron la variația frecvenței poate fi
realizată pe baza schemei sale echivalente simplificate (fi g. 10 .5) [10.6].
În sch ema simplificată din figura 10 .5 au fost utilizate următoarele notații:
U1 tensiunea de alimentare pe fază ;
R1 rezistenț a electrică a înfășurării statorului;
L1 inductivitatea de scăpări a înfășurării statorului în raport cu înfășurarea
rotorului;
I1 intensitatea curentului electric din înfășurarea statorului;
Calitatea energiei electrice 289
Uh tensiunea echivalentă în întrefier;
Lh inductivi tatea corespunzătoare fluxului de magnetizare al mașinii;
I2' intensitatea curentului electric din rotor, raportată la tensiunea statorului;
L'2 inductivitatea de scăpări a înfășurării rotorice în raport cu înfășurarea
statorului, raportată la tensiu nea statorului;
R2' rezistența electrică a înfășurării rotorului, raportată la tensiunea
statorului;
s alunecarea mașinii.
A B C
M
3 ~ Circuit intermediar
Redresor de tensiune continuă Invertor
C 50 Hz
0 Hz
0 100 Hz
Fig. 10 .4 Alimentarea cu frecvență variabilă a unui motor asincron.
În ipoteza unui curent electric de magnetizare I1 + I2' practic neglijabil
momentul Mel dezvoltat de mașină poate fi scris sub forma
2'
212
σ2
1'
2
ωω3
sRR L sp URMel
,
(10.5)
în care L = L1 + L2 este inductivitatea de scăpări a mașinii, p numărul de
perechi de poli, iar = 2f este pulsația tensiunii aplicate ( f frecvența tensiunii
de alimentare).
U1 R1 L1 L'
2
sR'
2 I1
I1+ I2'
Uh Lh
Fig. 10 .5 Schema electrică echivalentă simplificată a
motorului asincron. I2'
Caracteristica mecanică Mel = f () a mașinii , în care este viteza de rota ție,
este indicată în figura 10 .6 pentru diferite frecvențe ale tensiunii de alimentare.
Analiza curbelor din figura 10.6 pune în evidență faptul că la reducerea
290 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
frecvenței de alimentare , în raport cu frecvența normată fr (f1 < fr ), cresc momentul
de răsturnare Mk și momentul de pornire Mp , ceea ce arată avantajul utilizării mo –
torului asincron în procesele de pornire a mașinilor de lucru. Pentru fre cvențe peste
frecvența normată rezultă o creștere a vitezei de antrenare a mașinilor de lucru.
0 01 r 0 02 Mel
Mk
Mr
Mp
Fig. 10 .6 Caracteristica mecanică a mașinii asincrone pentru
diferite frecvențe ale tensiunii de alimentare. f1 < f
f = fr
f2 > f
În re alitate, curbele din figura 10 .6 nu pot fi utilizate sub această formă,
având în vedere faptul că la frecvențe reduse crește cu rentul de magnetizare al
mașinii, conducând la saturarea circuitului magnetic. Pentru a menține constantă
inducția în circuitul magnetic al mașinii este necesar ca să fie realizată condiția
constant1fU, (10.6)
Pentru frecvențe peste frecvenț a normată fr, condiția ( 10.6) ar permite
funcțio narea cu o tensiune peste cea nominală, ceea ce nu este admis din cauza
solicitării electrice inadmisibile a izolației electrice a mașinii. În acest fel, relația
dintre tensiunea de alimentare a mașinii ș i frecvență trebuie să aibă forma indicată
în figura 10 .7.
Din relația ( 10.5) rezultă faptul că la realizarea condiției ( 10.6), momentul de
răsturnare rămâne practic constant, ceea ce determină ca , în realitate, caracteristi –
cile mecanice utilizate să ai bă forma indicată în figura 10 .8.
Analiza curbelor din figura 10 .8 indică faptul că utilizarea motorului
asincron ali mentat cu tensiune de frecvența
variabilă asigură reglarea în limite largi a vitezei
de rotație fără a antrena pierderi suplimentare în
procesul de reglare.
Utilizarea motorului asin cron alimentat cu
tensiune de frecvență variabilă prezintă impor –
tante avantaje din punct de vedere tehnologic,
ceea ce a determinat și larga utilizare a acestui
sistem de reglare a vitezei de rotație în indu stria
modernă. Este necesar a avea în vedere și faptul
că la viteze reduse apare necesară o răcire
suplimentară a mașinii (ventilatorul de pe axul mașinii determină un debit redus de
aer datorită vitezei reduse de antrenare), dar și faptul că , în lipsa uno r măsuri U
Ur
fr
f Fig. 10.7 Caracteristica tensiune
frecvență la alimentarea
motorului asincron cu frecvență
variabilă.
Calitatea energiei electrice 291
adecvate de limitare a perturbațiilor electromagnetice , sistemul poate conduce la
apariția de armonice și inter armonice care să afecteze calitatea energiei electrice
furnizată celorlalți utili zatori din zonă.
0 01 r 0 02 Mel
Mk
Fig. 10 .8 Caracteristica mecanică a unui motor asincron
alimentat cu frecvență variabilă și îndeplinind condiția de inducție
magnetică constantă pentru frecvențe sub frecvența normată. f1 < f
f = fr
f2 > f
Având î n vedere faptul că, până recent, nu au existat soluții tehnic și econo –
mic acceptabile pentru zona tensiu nilor medii , utilizarea schemei d e reglare indi –
cată în figura 10 .6 s-a limitat la motoare le alimentate la rețeaua de joasă tensiune .
În prezent , există asemenea soluții și pentru tensiuni mai ridicate, astfel că sunt
întâlnite soluții cu alimentarea directă , cu tensiune cu frecvență variabilă și pentru
motoarele de medie tensiune.
Înstalațiile utilizate, până în prezent, pentru alimentarea motoarel or de medie
tensiune cu frecvență variabilă cuprind un circuit intermediar de tensiune redusă și
creșterea tensiunii de la ieșirea convertorului de frecvență (fig. 10 .9).
Funcționarea transformatorului T 2 la frecvență variabilă necesită menținerea
inducți ei magnetice la o valoare care să nu depășească limita de saturație. Ca și în
cazul mașinii asincrone, menținerea inducției egală cu inducția normată, pentru
frecvențe inferioare frecvenței normate , impune realizarea condiției ( 10.6) între
tensiunea la bor ne și frecvența tensiunii de alimentare. În cazul spe cific al schemei
din figura 10 .9 condiția ( 10.6) este îndeplinită, fiind impusă de funcționarea moto –
rului asincron.
Condiția ( 10.6) trebuie îndeplinită și în cazul transformatoarelor din alt tip
de sche me, dar care pot să lucreze cu frecvențe diferite de frecvența norma tă.
Un caz des întâlnit este cel al echipamentelor care au fost proiectate pentru
sistemele care funcționează la 60 Hz. Utilizarea acestora în sistemele cu frecvența
de 50 Hz necesită re ducerea tensiunii de alimentare cu circa 20% față de tensiunea
lor nominală. Echipamentele cu circuite magnetice aflate pe piață, proiectate pentru
funcționare atât la 50 Hz cât și la 60 Hz, prezintă pierderi mai mari în cazul
alimentării la 50 Hz. Pentru echipamentele de putere redusă aceste pierderi nu
prezintă importanță practică . Pentru echipamente de putere mai mare este necesar a
lua în considerație caracteristicile de funcționare a schemei la frecvență redusă.
Bobinele conectate în circuitul serie c u motorul alimentat cu frecvență
variabilă prezintă o reactanță inductivă proporțională cu frecvența curentului
electric ce parcurge bobina, situație care trebuie luat ă în considerare la dimensio na-
292 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
rea circuitului de filtrare conectat în serie cu motorul asincron.
A B C
M
3 ~ Circuit intermediar
Redresor de tensiune continuă Invertor
C 6 kV ; 50 Hz
0 Hz
6 kV;
0 100 Hz
Fig. 10 .9 Alimentarea cu frecvență variabilă a unui motoir asincron de medie tensiune. T1
T2
Utilizarea bobinelor conectate în paralel, la o frecvență diferită de frecvența
normată, impune analiza condițiilor de depășire a limitelor de saturație și creșterea
pierderilor. Menținerea inducției la valoarea norm ată impune controlul tensiunii la
borne conform condiției ( 10.6).
10.5 Variații ale tensiunii de alimentare
10.5.1 Indicatori privind valoarea tensiunii de alimentare
Mărimea de referință în analiza variațiilor de tensiune la barele de alimentare
ale unui utilizator este tensiunea contractată Uc (declared supply voltage ), egală in
mod obișnuit cu tensiunea nominală Un (nominal voltage ) a rețelei, dar poate fi
diferită de aceasta în cazul unei înțelegeri între furnizorul de energie electrică și
utilizator.
Tensiunea nominală Un este o mărime prin care este indicat sau identificat un
sistem și la care se referă unele caracteristici de funcționare ale sistemului.
În alegerea tensiunii contractate este necesar a lua în considerație tensiunea
normată Ur (rated voltage ) a echipamentelor, stabilită de producător ca tensiune de
dimensionare pentru condiții le specifice de funcționare ale componentelor, apa ra-
telor sau componentelor .
Valoarea efectivă Uw luată în considerare la măsurarea în regim normal d e
funcționare corespunde unui interval de măsurare de N = 10 perioade T ale
tensiunii analizate
M
iiT
ww UMt uTUw
12
02 1d1
, (10.7)
în care M este numărul de eșantioane pe fereastra de măsurare Tw = NT și Ui
Calitatea energiei electrice 293
amplitudinea eșantionului i.
Valorile obținut e pe fereastra de măsurare Tw sunt agregate pe un interval de 3 s
15
12
3151
iwi s U U
, (10.8)
în care Uwi sunt cele 15 valori valide ale tensiunii măsurate pe fereastra Tw.
Se consideră drept valori valide determinările pe intervalele de timp în c are
tensiunea a rămas în intervalul ( 0,85 1,15)Ur .
Valorile obținute pe intervalul de măsurare de 3 s sunt agregate pe un
interval de 10 minute
200
12
32001
iisU U
, (10.9)
în care U3s i sunt cele 200 valori valide ale tensiunii măsurate pe i ntervalul de 10
minute.
În evaluarea calității tensiunii la barele de alimentare a consumatorului
sunt luate în considerare valorile determinate pe 10 minute .
Variațiile de tensiune, în condiții normale de funcționare, sunt determinate
de variații ale sa rcinii. În mod obișnuit, valorile acceptate ale variațiilor de tensiune
(tabelul 10.4) diferă în funcție de nivelul de tensiune al rețelei: joasă tensiune
(tensiunea nominală sub 1 kV); medie tensiune (tensiunea nominală între 1 kV și
35 kV); înaltă tensiu ne (tensiunea nominală mai mare sau egală cu 110 kV).
Înformațiile obținute prin măsurarea nivelului tensiunii permit evaluarea in-
dicatorilor care definesc calitatea energiei electrice, în regim normal de funcțio nare:
Abaterea relativă a tensiunii în raport cu tensiunea contractată Uc , într-un
anumit nod al rețelei și la un moment dat, caracterizează variațiile lente de tensiune
[%]100 [%]100 [%]ε
cc
cUUUU
UU, (10.10)
în care U este tensiunea (tensiune de linie) rețelei electrice, în nodul analizat, la un
moment dat;
Valoarea medie a abaterii relative a tensiunii față de tensiunea contractată ,
într-un interval de timp T
T
U Umed tT0d1
, (10.11)
Indicatorul Umed este o măsură a nivelului mediu al tensiunii pe barele de ali –
mentare și oferă i ndicații privind alegerea corectă a plotului de reglaj al trans forma-
torului.
Gradul de iregularitate sau abaterea relativă medie pătratică
T
U q tT02 2d1
, (10.12)
Gradul de iregularitate poate fi utilizat pentru apreciere a calității tensiun ii pe
barele de alimentare
294 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
q2 10% calitate foarte bună;
10% < q2 20% calitate bună;
20% < q2 50% calitate mediocră;
q2 100% calitate necorespunzătoare.
Tabelul 10 .4
Valori limită ale variațiilor de tensiune
Nivelul
de tensiune Tensiunea de
alimentare
standardizată Limite de variație Observații
JT
trifazat Cu
patru
conduc –
toare Egală cu ten si-
unea nominală
Un = 230 V
(între fază și
conducto rul
neutru ) În condiții normale de
funcțio nare:
pe durata unei săptămâni,
în 95% din timp tensiunea
măsurată ca medie pe 10
minute trebuie să se
încadreze în limi tele Un
10%;
toate valorile măsurate ca
medie pe 10 minute trebuie
să se încadreze în limitele
Un + 10% 15% tensiunea
contra ctată este
egală cu
tensiunea
nomin ală;
în zone înde-
părtate,
alimentate prin
linii de lun gime
mare, ten siunea
poate ieși din
domeniul indicat;
în acest caz
consu matorul va
fi anunțat Cu trei
conduc –
toare
Egală cu ten –
siunea nominală
Un = 230 V
(între faze)
MT Egală cu ten –
siunea
contractată În condiții normale de
funcțio nare, pe durata unei
săptămâni, în 95% din timp
tensiunea măsurată ca
medie pe 10 minute trebuie
să se încadreze în limitele
Uc 10%.
IT 110
kV;
220 kV
Egală cu ten –
siunea nominală În condiții normale de
funcționare, pe durata unei
săptă mâni, în 95% din timp
tensiunea măsurată ca
medie pe 10 minute trebuie
să se încadreze în limitele
Un 10%.
400 kV În condiții normale de
funcționare, pe durata unei
săptămâni, în 95% din timp
tensiunea măsurată ca
medie pe 10 minute trebuie
să se încadreze în limitele
Un 5%.
750 kV În condiții normale de
funcționare, pe durata unei
Calitatea energiei electrice 295
săptămâni, în 95% din timp
tensiunea măsurată ca
medie pe 10 minute trebuie
să se încadreze în limitele
Un 2%.
Evalua rea cali tății tensiunii de alim entare la barele unei stații de alimentare
cu energie electrică se face pe baza celor n = 1008 valori pentru tensiunile agregate
pe 10 minute, determin ate pe durata unei săptămâni (fig. 10 .10):
Se determină numărul N de intervale d e 10 minute în care tensiunea este în
intervalul de ±15% față de tensiunea nominală; se consideră că valorile în afara
intervalului de ±15% față de tensiunea nominală sunt invalide, din punctul de
vedere al măsurătorilor privind nivelul de tensiune;
Se determină numărul N1 de intervale în care tensiunea măsurată este în
afara intervalului de ±10% față de tensiunea nominală și este în intervalul de ±15%
față de tensiunea nominală;
Tensiunea corespunde din punctul de vedere al calității energiei electri ce
dacă este îndeplinită condiția
05,01NN, (10.13)
U/Un
1,15
1
0,85
N11 N12 N01
N13
N14 N15
N02
N = 1008 N01 N02 ;
N1 = N11 + N12 + N13 + N14 + N15 Banda de tensiune admisă
0,9 U/Un < 1,1
1008 n
Fig. 10 .10 Evaluarea calității tensiunii la barele unei stații de
alimentare cu energie electrică.
Variațiile de tensiune în nodurile rețelei electrice, î n regim normal de
funcționare, sunt datorate în special variați lor de putere reactivă. În acest fel, c on-
trolul puterii reactive este principalul mijloc de limitare a variațiilor de tensiune.
Gestionarea neadaptivă a surselor de putere reactivă , în special, cele ale
consumatorilor industriali, conduce la o circulație necontro lată a puterii reactive,
dificultăți în asigurarea nivelurilor de tensiune în nodurile rețelei și pierderi de
putere activă. Probleme deosebite apar în orele și zilele de gol de sarcină când sur –
sele de putere rea ctivă rămân conectate, determinâ nd un exces de putere reactivă.
În mo d normal, bateriile de condensatoare sunt compuse din mai multe
module și, teoretic, ar exista posibilitatea conectării și deconectării acestora, astfel
încât să se asigure compensarea adaptivă a puterii reactive .
296 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În prezent , există mijloacele tehnice , bazate pe circuite electronice, necesare
unui control eficient al puterii reactive , atât la consumatori , cât și în rețeaua electri că,
asigurând astfel nivelul de tensiune impus.
10.5.2 Influența variațiilor de tensiune asupra performanțelor
utiliz atorilor
Funcționarea receptoarelor de energie electrică cu o tensiune în afara benzii
admise determină daune, cu atât mai importante cu cât abaterile față de tensiunea
normată sunt mai mari.
În cele mai multe cazuri practice, daunele D determinate de ab aterea ten –
siunii de alimentare U față de tensiunea normată Ur a receptoarelor po t fi exprimate
sub forma unui polinom de gradul doi
2) ( ) (r r UUb UUaD , (10.14)
în care coeficienții a și b sunt specifici fiecărui proces tehnologic.
Relația (10 .14) poate fi aplicată numai pentru un domeniu relativ îngust al
variației tensiunii de alimentare. Reducerea tensiunii de alimentare , sub o valoare
critică Ucr1 , precum și creșterea peste o valoare Ucr2 , pot produce daune deosebit
de importante.
Abaterea te nsiunii de alimentare în raport cu tensiunea normată a receptoa –
relor conduce, de cele mai multe ori, la reducerea puterii absorbite și , în consecință ,
la reducerea productivității mașinilor de lucru și la reducerea calității produselor
realizate.
În cazu l cel mai întâlnit al sistemelor de acționare cu motoare asincrone (fig.
10.11), scăderea tensiunii de alimentare U determină reducerea vitezei de rotație
a moto rului ( p numărul de perechi de
poli ai mașini i) și deci diminuarea pro-
ductivității proce sului în care sunt uti –
lizate mașinile asincrone La o reducere
accentuată a tensiunii de alimentare este
posibilă oprirea mașinii (reducerea
cuplu lui maxim CM sub cuplul static
rezistent Cs al mașinii de lucru ).
Calculele efectuate privind dau –
nele dete rminate de abaterea tensiunii
față de valoarea normată pun în evi –
dență următoarele [ 10.7]:
la cuptoarele cu arc electrice
o reducere a tensiunii de alimentare cu 8% conduce la o reducere a producti vității
cu circa 6% și o creștere a con sumului s pecific cu circa 7%;
la cuptoarele cu inducție electro magnetică , alimentate la frec vență indus –
trială o reducere a ten siunii de alimentare cu 5% conduce la o reducere a pro –
ductivității cu circa 10% și o creștere a consumului spe cific cu ci rca 8%;
la cuptoarele cu inducție electromagnetică , alimentate la frecvență ridicată
o reducere a tensiunii de alimentare cu 10% determină o creștere a consumului Fig. 10 .11 Variația caracteristicilor
motorului asincron în funcție de tensiunea
de alimentare. Cs = f() C = f(); U =
Ur C = f(); U <
Ur C
CM
’ 0 ’< ;
0 = 2f/p
Calitatea energiei electrice 297
specific cu circa 5% ;
în instalațiile de sudare abateri ale tensiunii de alimentar e în intervalul
10% conduc la creșterea duratei procesului, dar abateri peste 10% pot determina
rebutarea operației efectuate.
10.6 Goluri și întreruperi de scurtă durată
10.6.1 Caracteristicile golurilor și întreruperilor de scurtă durată
Golurile și întreruperile de scurtă durată sunt eve nimente frecvente î n rețea ua
electrică. În mod obi șnuit , apar ca o consecință a unui scurt circuit î n rețeaua
electrică, la pornirea motoarelor mari precum și la conectarea transfor matoarelor.
Golurile de tensi une (fig.
10.12) sunt perturbații bidimen sio-
nale, ca racterizate de adâncimea
golului și de durata acestuia ,fiind
determi nate de defecte care apar în
rețeaua electrică publică sau în re –
țeaua in dustrială a consuma torului.
Perturbația are un car acter alea to-
riu, iar frecvența de apariție, am pli-
tudinea golului și durata a cestuia
variază mult în fiecare nod al rețelei
electrice . De asemenea, are un ca –
racter neregulat pe durata unui an.
Pentru caracterizarea unui eveniment singular sunt util izați indicatorii:
tensiune remanentă (reziduală) Ul și durata golului tg. Este utilizat și indicatorul
adâncimea golului Ug ca diferență între tensiunea de referință și tensiunea
remanentă Ul .
Evaluarea efectelor golurilor asupra consumatorilor se face prin moni –
torizarea pe durate mari de timp a tensiunii remanente Ul , a duratei tg și a fazei pe
care are loc evenimentul.
Datorită daunelor pe care le determină la consumatori, precum și datorită
caracteristicilor foarte diferite ale fiecărui evenimen t, problemele de evaluare sunt
complexe, necesitând echipamente de înaltă performanță, cu o capacitate impor –
tantă de stocare.
În lipsa unor echipamente specializate de limitare, apariția golurilor de
tensiune este însoțită de întreruperi de scurtă sau l ungă durată, ceea ce determină ca
unele aspecte ale acestor perturbații să fie comune.
Prezența unui gol de tensiune se pune în evidență pe baza măsurării valorii
efective p e o jumătate de perioadă (fig. 10 .12). În acest fel, nu pot fi puse în evi –
dență g oluri cu o durată sub 10 ms, iar incertitudinea de măsurare a duratei golu –
rilor de tensiune nu poate fi mai mică decât 20 ms.
Mărimea de bază în analiza golurilor și întreruperilor de tensiune este va –
loarea efectivă pe o jumătate de perioadă U1/2 [10.8] Fig. 10.12 Gol de tensiune. tg Ug U/Uc
1
0,9
Ul
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
t/T
298 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
2/
12
2/11N
iiUNU
, (10.15)
în care N este numărul de eșantioane pe o perioadă a tensiunii alternative, Ui
amplitudinea eșantionului de rang i.
Echipamentele actuale de monitorizare a golurilor de tensiune utilizează în
mod obișnuit o frecvență de eșantionare de 6 400 Hz (128 eșantioane pe o perioadă
a tensiunii alternative) sau 12 800 Hz (256 eșantioane pe o perioadă a tensiunii
alternative). În analiza golurilor și întreruperilor de scurtă durată într -o rețea
electrică, monitorizarea se face pentru cele trei faze, având în vedere faptul că pot
să apară evenimente cu caracteristici diferite pe cele trei faze și în consecință cu
efecte diferite asupra utilizatorilor finali.
Evaluarea golurilor și întreruperilor de scurtă durată , într -un nod al unei re țele
electrice, cuprinde 4 etape [ 10.4]:
achiziția eșantioanelor tensiunii în punctul analizat;
determinarea caracteristicilor de durată și de amplitudi ne ale evenimen –
tului, pe baza eșantioanelor existente;
determinarea valorilor indicatorilor pe ntru evenimentul singular analizat;
determinarea valorilor indicatorilor în punctul analizat pentru un interval
prestabilit de timp (agrega rea valorilor în domeniul timp).
Durat a întreruperii scurte se evalue ază prin intervalul de timp între pragul de
start și pragul de sfârșit la care este setat echipamentul de evaluare.
Tensiunea de referință care stă la baza stabilirii pragurilor de început (start)
și de sfârșit ale golului poate fi tensiunea normată Ur , tensiunea contractată Uc ,
tensiunea medie de lungă durată în punctul de măsurare sau valoarea efectivă
imediat anterioară evenimentului.
Utilizarea tensiunii normate sau a tensiunii contractate ca tensiune de
referință conduce la rezultate relevante dacă analiza efectuată este focalizată , în
special , pe efectele asupra echipamentelor de utilizare, ceea ce corespunde , în
primul rând , domeniului tensiunilor joase sau medii.
10.6.2 Deosebirea dintre goluri de tensiune și întreruperi scurte
Cele mai multe dintre golurile de tensiune sunt determinate d e apariția unor
scurtcircuite în rețeaua electrică, cu revenirea tensiunii după ce defectul a fost eli –
minat. În cazul scurtcircuitelor simple , forma golului de tensiune poate fi apro xi-
mativ dreptunghiulară și apariția acestuia poate fi evaluată pe baza valorii reziduale
și a duratei, avâ nd în vedere pragurile setate. În cazul unor circuite complexe, go –
lurile de tensiune pot să aibă forme complexe, pentru care cele două dimensiuni ale
golului simplu nu oferă informații suficiente. În acest caz, pot fi d efinite mai multe
praguri și determinate duratele golului pentru diferite niveluri ale tensiunii remanente .
În cazul unei scheme de forma celei indicate î n figura 10 .13 a) , apariția unui
scurtcircuit pe feederul F 2 și eliminarea sa prin deconectarea întrer uptorului I 2 de-
termină , pentru consumatorii alimentați prin feederul F 2 , o întrerupere de tensiune
(o separare electrică între sursă și consumator), iar pentru consumatorii alimentați
Calitatea energiei electrice 299
prin feederul F 1 , un gol de tensiune (fără separare electrică între sursa de alimen –
tare și consumator). Este posibil ca , pe durata evenimentului, pentru scurtcircuite
apropiate de bara de alimentare, în ambele cazuri tensiunea să ajungă la aceeași
valoare, practic nulă.
În practică , este, uneori , dificil de stabilit dacă este un gol de tensiune sau o
întrerupere scurtă. Astfel, în figura 10.13 b), pentru un regim normal de funcționare
cu alimentare prin intermediul a două linii L 1 și L 2 , la apariția, de exemplu, a unui
defect pe linia L 2 , bara B 2 rămâne fără tensiune și consumatorii alimentați prin
feederul F 2 vor fi întrerupți. Durata întreruperii este determinată de durata
reconectării prin AAR de la bara B 1. Întreruperea, ca rezultat al separării electrice
între sursa de alimentare și consumatori, nu este întotdeaua în soțită de valoarea
nulă a tensiunii pe partea consumatorului, având în vedere că pe partea consuma –
torului există motoare care , antrenate inerțial , mențin la borne o anumită valoare a
tensiunii.
a) b)
Fig. 10 .13 Gol de tensiune și întrerupere de scurtă durată. L
T
20 kV
F1 F2 B
I2 I1 I L1 L2
T1 T2
AAR
10 kV
F1 F2 B1 B2
Separarea între gol de tensiu ne și întrerupere de scurtă durată se face pe baza
valorii tensiunii remanentă . În mod obișnui t, reducerea tensiunii sub pragul de 1%
din tensiunea de referință se consideră în trerupere (pragul poate fi ales și 5% sau
10%, în funcție de tipul consumatorul ui alim entat , de exemplu normativul CEI
61000 -4-30 reco mandă valoa rea de 10 %).
La adoptarea măsurilo r necesare limitării efectelor trebuie stab ilit tipul golu-
rilor frecvente de tensiune. În mod obișnuit , pot
să apară goluri datorate scurt circuitelor s au da –
torate pornirii motoarelor mari sau conect ării
trans forma toarelor. Specific golurilor dato rate
pornirii motoarelor mari (fig. 10 .14) sau la co –
nectarea transformatoarelor este faptul că au
valori egale pe cele trei faze, iar tensiunea re –
manentă nu scade sub 0,4 Uc (în principiu, con –
sumatorii își dimensionează instalația astfel
încât la pornirea celui mai mare motor din in -u
t
Fig. 10.14 Gol de te nsiune la
pornirea unui motor de putere mare.
300 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
stalație, golul rezultat să nu afecteze celelalte motoare). Desigur că și un
scurtcircuit trifazat depărtat poate avea cara cteristici ase mănătoare , însă aceste
evenimente sunt mult mai rare, iar forma golului este diferită.
Pornirea motoarelor mari sau conectarea transfor matoa relor mari determină
apariția unui gol de tensiune datorită curentului de pornir e (inrush current ) impor –
tant a cărei durată pre zintă o importanța deosebită privind solicitar ea circuitelor
electrice (fig. 10 .15). Durata sa se evaluiază ca intervalul de timp între un prag de
start (prag de trigerare) și un prag de stop, determinat din pragul de start din care se
scade tensiunea de histerezis Uh .
i
t Durata procesului de pornire
Prag de start
Prag de stop
Fig. 10 .15 Pragurile de start și de stop la evaluarea curentului de pornire. Histerezis
10.6.3 Evaluarea golurilor de tensiune
În analiza efectelor golurilor de tensiune asupra echipamentelor dintr -o insta –
lație este necesar a avea informații privind amplitudinea, durata golurilor și , even –
tual, forma golurilor și , de asemenea, trebuie cunoscută curba de susceptibilitate a
echipamentului (curbe de tip ITIC Information Technology Industry Council )
(fig. 10 .16). În figura 10 .16 sunt indicate evenimentele înregistra te pe durata unui
an și carac teristicile lor, în raport cu domeniul de susceptibilitate a consumatorului.
Valorile aflate în afara domeniului marcat reprezintă goluri care pot determina
daune consumatorului analizat.
Calitatea energiei electrice 301
U/Uc
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
0 0,001 0,01 0,1 1 10 100 tg [s] Total evenimente: 10
Evenimente în afara
curbei ITIC: 3
Fig. 10 .16 Goluri înregistrate la bornele unui consumator din industria de
semiconductoare.
Analiza golurilor în rețelele trifazate poate fi făcută pe fiecare fază , utilizând
echipamente mono -canal sau pe ansamblul celor trei faze utilizând echipamente
multicanal. În cazul echipamentelor multica nal, durata golului se măsoară din
momentul în care pe unul dintre canale tensiunea a scăzut sub valoarea de prag
până în momentul în care toate tensiunile de fază au depășit val oarea de prag plus
valoarea de h isterezi s (în mod obișnuit valoarea de h isterezis este de 2 % din
tensiunea de referință) [ 10.8]. În acest sens, este necesar a face diferență între
echipamentele trifazate (trei echipamente monocanal) și echipamentele multicanal
(un echipa ment care analizează ansamblul celor trei faze) .
Datele obținute prin măsurare permit caracterizarea golurilor prin următo rii
indicatori:
amplitudinea relativă sau procentuală
[%]100 [%]100 [%]
cl c
cg
gUU U
UU
, (10.16)
în care Ul este valoarea remanentă a tensiunii de fază, iar Uc tensiunea con trac-
tată, pe fază.
durata golului de tensiune :
i f g ttt , (10.17)
în care ti și tf sunt momentele inițial și final ale golului de tensiune;
frecvența de apariție a golurilor :
rg
aTN
f
, (10.18)
în care Ng este numărul de goluri de tensiune care apar pe durata de referință Tr (în
mod obișnuit, un an).
Caracterizarea globală a golurilor de tensiune necesită completarea, pe
intervale mari de timp ( în mod obișnuit un an) a matrice i amplitudine durata
302 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
golurilor (tabelul 10 .6) [10.8].
Tabelul 10 .6
Matricea amplitudinea golurilor durată Ug = f(tg)
Tens iunea
reziduală
Urez [%] Durata golului tg [ms]
20 200 200 500 500 1000 1000 5000 5000 60000
90 > Urez 80 A1 A2 A3 A4 A5
80 > Urez 70 B1 B2 B3 B4 B5
70 > Urez 40 C1 C2 C3 C4 C5
40 > Urez 5 D1 D2 D3 D4 D5
5 > Urez X1 X2 X3 X4 X5
Nota: Valorile corespunzătoare celulelor notate cu X corespund întreruperilor de
tensiune.
Fiecare celulă a matricii conține numărul de goluri de tensiune cores punzând
intervalului tensiunii remanente și respectiv duratei tg .
Frecvența golur ilor de tensiune cu o anumită caracteristică, corespunzătoare
fiecărei celule Nik a matricii amplitudine -durată, determinată pentru un interval de
timp (în general un an), este evaluată cu relația
6161
,,
kiikik
NNg,
(10.19)
În condiții normale de funcționare numărul total de goluri într -o rețea, pe
durata unui an poate fi de la câteva zeci la o mie.
10.6.4 Mijloace de limitare a golurilor de tensiune
și a întreruperilor de scurtă durată
Golurile de tensiune pot determina daune importante atunci când , datorită
reducerii tensiunii și a duratei relativ mari, are loc dezexcitarea contactoarelor sau
relee lor de minimă tensiune producând astfel întreruperi de scurtă durată.
Întreruperile de scurtă durată pot să rezulte în urma operațiilor de AAR , în
rețelele de medie sau joasă tensiune și de RAR , în rețelele de înaltă tensiune.
Spratensiunile de trăsnet și defectele de izolație conduc la apariția unui
număr important de goluri și întreruperi de scurtă durată într -o rețea electrică, astfel
că receptoarele sensibile la aceste perturbații pot să înregistreze daune inaccepta bile.
O atenție specială trebuie acordată consumatorilor care nu admit întreruperea
în alim entarea cu energie electrică. Soluțiile actuale se bazează pe alimentarea
separată a consumatorilor critici (sensibili la goluri și întreruperi de scurtă durată)
și a celor la care daunele , relativ reduse, pot fi acceptate. Î mpărțirea în cele două
tipuri de consumatori trebuie făcută cu atenție deoarec e realizarea unor surse
neîntreruptib ile implică importante costuri.
Alimentarea consumatorilor critici se face de la rețeaua electrică prin
Calitatea energiei electrice 303
intermediul unor echipamente intermediare (UPS Uninterruptible Power Supply )
care stochează energie și o redau pe durata întreruperii. Sunt utilizate două tipuri de
asemenea echipamente:
cu stocare chimică a energiei (acumulatoare electrice);
cu stocare dinamică a energiei (volant mecanic).
Echipamentele UPS sunt în general în proprietatea consumatorului și asigură
o alimentare neîntreruptibilă pen tru receptoarele critice. Realizarea alimentării
neîntreruptibile poate fi concepută însă și ca serviciu pe care furnizorul de energie
electrică îl poate asigura consumatorului și , în acest caz , instalațiile UPS sunt în
proprietatea furnizorului.
Pentru a limentarea neîntreruptibilă, pe durate relativ mari (până la 2 ore), a
unor utilizatori de putere relativ redusă (10 kVA) pot fi utilizate scheme în care
sursa de energie pe perioada întreruperii este o baterie de acumulatoare B (fig. 10 .17).
Schema din fi gura 10.17 poate funcționa în două variante:
Alimentare on -line, în care întreruptoarele IP, IE și IS sunt permanent
închise, iar alimentarea receptoarelor critice se face , în mod normal , prin interme –
diul invertorului Iv (sunt deconectate întreruptoarel e IO și IM). La întreruperea
alimentării din rețeaua publică, este deconectat întreruptorul IP și receptoarele
critic e sunt alimentat e, în continuare , folosind energia stocată în acumulatorul B.
La reve nirea tensiunii este reconectat în treruptorul IP și se va asigura reîncărcarea
bateriei de acumulatoare și alimentarea receptoarelor ;
Alimentarea off -line, în care întreruptoarele IP, IO; ISO și IE sunt închise
în regim normal de funcționare, iar întreruptoarele IS și IM sunt deschise. La
întreruperea tensi unii de alimentare are loc, într -un interval de timp foarte scurt,
deconectarea întreruptorului static ISO și conectarea întreruptorului IS, astfel încât
alimentarea receptoarelor critice , cu un interval foarte scurt de întrerupere (ac cep-
tabil pentru un ele receptoare ), se face în continuare pe seama ener giei stocată în
bateria de acumulatoare. La revenirea tensiunii, schema trece în starea inițială.
304 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
D
Iv
IS U~
ISO
U~
B IB IM
IP IO
IE
Fig. 10 .17 Sursă neîntreruptibilă cu întreruptoare statice:
D redresor; Iv invertor; IS întreruptor static; B baterie de acumulatoare;
ISO întreruptor static de ocolire; IP întreruptor princ ipal; IO întreruptor de
ocolire; IE întreruptor de ieșire; IM întreruptor pentru mentenanță.
Deoarece experiența a arătat că peste 93% dintre perturbațiile sub formă de
goluri sau întreruperi de scurtă durată nu depășesc trei secunde, au fost dezvoltate
echip amente UPS dinamice (fig. 10 .18) în care energia este stocată sub formă de
energie cinetică a unui volant care are o viteză ridicată de rotație.
Schema din figura 10. 18 poate funcționa în cele două variante on -line sau
off-line, asigurând alimentarea pe durate relativ reduse (circa 3 s) a receptoarelor
critice, pe seama energiei cinetice a generatorului cu moment mare de inerție G/M.
În regim normal de funcționare , mașina electrică lucrează în regim de motor , asigu –
rând menținerea volantului la o viteză ridicată de rotație. Bobinele L 1 și L 2 din
schemă au rolul de a limita solicitările în cazul regimurilor tranzitorii care apar la
trecerea de la un regim de funcționare la altul.
Echipamentele UPS dinamic e sunt caracterizate , în principal , printr -o fiabili –
tate ridicată și o mentenanță redusă.
Ca o variantă a schemei din figura 10.18, poate fi utilizată schema din figura
10.19 în care sunt folosite mașini electrice obișn uite. E nergia electrică este sto cată
în bateria de acumulatoare B c e asigură, la între ruperea tensiunii din rețeaua
publică, alimentarea mot orului M de tensiune continuă care antrenează generatorul
sincron G. Acesta preia alimentarea receptoarelor critic e după deconectarea între –
ruptorului IO (în regim normal de funcționare între ruptorul IE este deconectat) .
La adoptarea deciziilor privind alegerea schemelor pentru reduce rea
(eliminarea) perturbațiilor sub formă de goluri și întreruperi de scurtă dura tă
trebuie analizată și soluția unor mă suri pe partea tehnologică pentru creșterea
imunită ții la acest tip de perturbații ( utilizarea unor motoare electrice cu moment de
inerție crescut, motoare cu volant etc.) .
Calitatea energiei electrice 305
Receptoare
critice
Iv
D
G/M
3 ~ Receptoare
necritice
Rețeaua
electrică de
alimentare
Fig. 8.18 Conectarea unui UPS dinamic. IP IM
IS L1
L2 IE IO ISO IP
Se conside ră că î ntreruperile de scurtă durată nu durează mai mult de 3
minute (în unele docu mente se stabilește că durat a maximă a unei întreruperi de
scurtă durată este de 1 minut). În mod nor mal circa
70% dintre întreruperi au o durată sub 1 s.
10.7 Întrerup eri de lungă durată
Întreruperile de lungă durată pot fi anunțate
sau accidentale . Pentru c ele anunțate , utilizator ul
poate să adopte o serie de măsuri pentru limitarea
daunelor.
Evaluarea întreruperilor de scurtă și lungă
durată se face pe baza numărului și duratei
evenimente lor [10.8].
Durata unei întreruperi corespunde
intervalului de timp în care tensiunea rămâne sub 1% din tensiunea contractată.
Determinarea apariției unei întreruperi se face pe baza măsurătorilor valorii
efective pe jumătate de perio adă a tensiunii alternative.
Pentru limitarea daunelor determinate de întreruperile de lungă durată sunt
adoptate măsuri specifice. La puteri relativ mari pot fi utilizate sc hemele din figura
10.20 , în care , pe durata întreruperii, receptoarele critice sun t alimentate de la un
generator de rezervă , antrenat de un motor cu combustibil. Pe durata , relativ redu –
să, în care are loc pornirea motorului D iesel de intervenție , MDI, sursa de energie o
reprezintă volantul V, conectat pe același ax cu mașinile elec trice. G
3 ~ Rețea de
alimen tare Consumato
r
Fig. 10.19 UPS dinamic cu
două mașini electrice. M IO
B IP IE
306 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Tabelul 10 .8
Evaluarea întreruperilor de sc urtă și lungă durată
Durata întreruperii
t < 1 s 1 s t < 3
minute t 3
minute
Număr de între ruperi
M
3 ~ G
3 ~ Rețea electrică
de alimentare Receptoare
critice
V
MDI C
a) M/G
3 ~ Rețea electrică
de alimentare Receptoare
critice
V
MDI C
b) T IC
G
3 ~ Rețea electrică
de alimentare Receptoare
critice
V
MDI C
c) M IC
Fig. 10. 20 Sursă neîntreruptibilă cu mașini electrice:
a) cu motor asincron (sincron), volant (V) și motor diesel de intervenție (MDI);
b) cu mașină sincronă reversibilă, volant și motor diesel de intervenție;
c) cu motor de tensiune continuă, redresor, volant și motor diesel de intervenție;
IC întreruptor de cuplă; C cuplă magnetică. IC
IP IE IE
IP IE
În regim normal de funcționare , întreruptorul de cuplă IC este conectat ,
astfel încât consumatorii sunt alimentați din rețeaua publică. De asemenea , este
alimentat motorul care antrenează volantul și generatorul fu ncționând în gol (în
schema din figura 10 .20 b) este utilizată o mașină reversibilă). La întreruperea
tensiunii de alimentare, generatorul, antrenat într -o primă etapă de energia cinetică
a volantului și apoi de motorul diesel MDI, preia sarcina receptoare lor critice .
Având în vedere costurile relativ ridicate ale schemelor cu alimentare
neîntreruptibilă pe d urate mari, apare necesară selectarea rațio nală a categoriei
receptoarelor critice , dar și analiza posibilităților de rezervare pe partea tehnolo –
gică, astfel încât să se limiteze daunele care apar la întreruperi de lungă durată ale
alimentării cu energie electrică din rețeaua publică.
Schema din figura 10 .21 este o variantă a schemelor din figura 10 .20. L a o
întrerupere de lungă durată, pe dur ata până la pornirea motorului D iesel, receptoa –
rele critice sunt alimentate prin intermediul unui echipament UPS , cu stocare de
energie electrică în baterie de acumulatoare
Calitatea energiei electrice 307
Receptoare
critice
Iv
D Receptoare
necritice
Rețeaua
electrică de
alimentare
Fig. 10 .21 Conectarea unui grup de rezervă. IP IM
IS IE IO ISO IP
G
3 ~
MDI
10.8 Creșteri de tensiune (supratensiuni)
Creșterile de tensi une (fig. 10 .22) sunt perturbații bidimensionale definite
prin amplitudine și durată și sunt evaluate pe baza măsurătorilor privind valoarea
efectivă pe o jumătate de perioadă.
Evaluarea supratensiunilor (creșteri
de tensiune) se poate face în funcție de u n
prag limită Up (fig. 10 .23) și având în
vede re tensiunea de histerezis Uh .
Normele europene recomandă ca –
racte rizarea supratensiunilor tempo rare pe
baza matricii tensiune timp (tabelul 10 .9)
[10.6] în care, în funcție de durată acestea
se împart în trei clase, corespunzătoare coloanelor matricii: instantanee (cu durată
sub 1 s), momentane (cu o durată cuprinsă între 1 s și 1 minut) și de lungă durată
(peste 1 minut).
Tabelul 10 .9
Evaluarea creșterilor de tensiune
Creșterea de
tensiune Durata creșterii de tensiune [ms]
20 ts < 500 500 < ts 5000 5000 < ts 60000
Us/Uc 1,2 S1 S2 S3
1,2 > Us/Uc 1,1 T1 T2 T3
Datele pe durata unui an, cuprinse în fiecare celulă a matricii tensiune -timp
stau la baza evaluării perfo rmanțelor furnizo rilor de energie electrică și caracte riza-
rea fiecărui nod al rețelei electrice din punctul de vedere al calității energiei electrice. u
cUU
222/1
t
t
Fig. 10.22 Supratensiune temporară.
308 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
U
US
Up
Uh
Uc Uh
tS
t Fig. 10 .23 Caracteristicil e unei supratensiuni .
În cazul receptoarelor electrice ale consumatorilor, nivelul și durata c rește rilor
de tensiune trebuie să fie comparate cu curba de susceptibilitate a echipamentului
(de exemplu, ramura superioară a curbelor CBEMA sau ITIC) figura 10.24 și
figura 10 .25.
Fig. 10 .24 Curba ITIC (Information Technology Industry Council) privind domeniul
acceptat al supratensiunilor (perioada T are 1/60 s). U/Ur
4
3
2
1,4
1,2
1 0,0001T 0,001T 0,01T 0,1T T 10T 100T 1000T
1 s 1 ms 3 ms 20 ms 0,5 s 10 s Domeniul admisibil al
supratensiunilor
Curbele de tipul CBEMA și ITIC sunt indic ate de către constructorii de
echipamente și trebuie să fie comparate cu valorile măsurate ale supratensiunilor,
ca amplitudine și durată, pentru a evalua posibilitatea funcționării acestor
echipamente în nodul rețelei electrice din care sunt alimentate. I nformațiile
obțin ute pot sta la baza unor decizii privind adoptarea de soluții pentru îmbu nătă-
țirea calității energiei electrice.
Calitatea energiei electrice 309
U/Ur
1,4
1,3
1,2
1,1
1
Fig. 10 .25 Curba CBEMA ( The Computer and Business Equipment
Manufacturers Association ) inclus ă în IEEE Standard 446 privind valorile
acceptate ale variațiilor de tensiune (o perioadă este egală cu 1/60 s). 10-1 100 101 102 103 [perioade] Supratensiuni
admise
Compararea datelor din tabelul 10 .9, obținute pe durata unui an, cu valorile
admise permite ev aluarea măsurilor adoptate pentru limitarea supratensiunilor la
barele de alimentare a consumatorului .
10.9 Fluctuații de tensiune (efect de flicker)
10.9.1 Evaluarea efectului de flicker
Variaț iile aleatorii ale sarcinii ca, de exemplu , la cuptoarele cu arc electric,
determină , la barele de alimentare , variaț ii aleatorii de tensiune (fig. 10 .26) care pot
afecta calitatea energiei electrice furnizată celorlalți utilizatori , conectați la aceleași
bare. Nivelul de flicker , sesizat de ochiul uman ca varia ții ale fluxului luminos
emis de sursele de lumină, este determinat cu ajutorul flickermetrului, care ia în
considerație senzația de iritabilitate a ochiului la depășirea unui anumit nivel al
variației tensiunii de alimentare.
U
5% 1 s
Fig. 10 .26 Variația tensiunii la barele de alimentare ale unui cuptor cu arc
electric.
Studiile de inconfort fiziologic au arătat faptul că starea de iritabilitate
intervine dacă variațiile de tensiune au o anumită valoare și o anumită
repetabilitate, indicate d e curba de iritabilitate (fig. 10 .27), construită pentru variații
dreptunghiular e ale tensiunii de alimentare. Această curbă de iritabilitate reprezintă
elementul de bază în evaluarea nivelului de flicker.
Forma de variație a tensiunii de alime ntare și durata acesteia (fig. 10.28 ) au o
influență importantă asupra senzației de inconfor t vizua l. Pentru evaluarea nivelu –
310 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
lui de flicker pe baza curbei de iritabilitate, diferitele tipuri de variație sunt reduse
la o varia ție dreptunghiulară cu ajutorul unor factori de influență. Figura 10.28
cuprinde 7 variații ale tensiunii .
U/U
[%]
8
6
5
4
3
2
1
0,8
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0,1 0,2 0,4 0,8 1 2 3 4 6 8 10 20 40 60 100 300 1000 10000
Număr de variații pe minut
Fig. 10 .27 Curba de iritabilitate ( Pst = 1).
Determinarea nivelului de flicker se face pe baza valorilor efective ale ten –
siunii măsu rate la fiecare 10 ms (fig. 10.29). În figura 10.29 sunt indicate eșantioa –
nele achiziționate în zona a două variații de tensiune (intervalele t1 t2 și t2 t3).
De asemenea , este indicată valoarea maximă a variației Umax , abaterea remanentă
Uc și modificarea în timp a variației u(t).
Find cunoscută forma variațiilor de tensiune, cu ajutorul factorilor de formă
F este posibilă echivalarea acestora c u variații dreptunghiulare de amplitudine
Fdmax , în care variația relativă dmax rezultă prin raportarea valorii valorii Umax la
valoarea contractată a tensiunii ( dmax = Umax/Uc (pentru variații dreptunghiulare,
factorul de formă este unitar) [10.9] .
Valorile obținute, pentru fiecare dintre variații, numite flicker instantaneu
sunt plasate succesiv într -un siste m de axe dreptunghiulare (fig. 10.30 ) determi –
nând o curbă de variație a acestuia . Pe baza curbei de variație a flickerului
instantaneu se construiește curba de probabilitate cumulată CPF (Cumulative
Calitatea energiei electrice 311
Probability Function ) (fig. 10.31).
u
U
U U U U U U
t T
Fig. 10 .28 Definiția variațiilor de tensiune U, a duratei unei variații de
tensiune t și a duratei dintre două variații T. t
u(t)
10 ms t1 t2 t3 t Uc
Umax u(t)
Fig. 10 .29 Determinarea eșantioanelor tensiunii analizate.
Indicatorul Pst de flicker pe termen scurt s e determină, pe o fereastră de
monitorizare de 10 minute din relația
s s s s st P P P P P P50 10 3 1 1,0 08,0 28,0 0657,0 0525,0 0314,0 , (10.20)
în care valorile procentuale P0,1 , P1, P3, P10 și P50 reprezintă niveluri ale flickerului
depășite în 0,1; 1; 3; 10 și 50% din timp, pe intervalul de o bservație.
Indicele s din relația (10.20) arată că trebuie utilizate valorile netezite. Aceste
valori se obțin din relațiile
.3/) (;3/) (;5/) (;3/) (
5,1 1 7,0 14 3 2,2 317 13 10 8 6 1080 50 30 50
PP P PP P P PP P P P P PP P P P
ssss
(10.21)
Constanta de timp de 0,3 s a memoriei flickermetrului asigură ca P0,1 să nu
se modifice într -un mod brusc și deci nu este necesară netezirea pentru această
valoare.
312 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Fig.10 .30 – Nivelul de flicker reprezentat printr -o funcție variabilă în timp. Durata prezenței
semnalului în clasa nr.7 este indicată ca exemplu :
5
17
iit T
CPF
[%]
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Clasa
Fig. 10 .31 – Funcția de probabilitate cumulată a prezenței semnalului în clasele 1 la 10. Flicker
instantaneu PF(t)
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
t t1 t2 t3 t4 t5
Intervalul de timp de 10 minute pe car e se bazează evaluarea nivelul de
Calitatea energiei electrice 313
flicker, de scurtă durată , este adecvat pentru aprecierea perturbațiilor deter minate
de sursele cu un ciclu de funcționare redus. Dacă trebuie să se țină seama de efectul
combinat al mai multor sarcini perturbatoare cu funcționare aleatorie (de exemplu,
instalații de sudare sau motoare) sau cân d se studiază sursele de fluctuații de
tensiu ne, cu ciclu lung și variabil de funcționare (de exemplu, cuptoare cu arc
electric) , este folosit indicatorul de flicker de lungă durată.
Pentru determinarea nivelului flickerului de lungă durată Plt , sunt utilizate
valorile Pst ale flickerului de scurtă durată, determinate pe intervale succesive timp
de două ore
312
13
12
isti
ltP
P
, (10.22)
în care Psti (i = 1, 2, 3….) reprezintă citiri succesive ale valorilor Pst
corespunzătoare flickerului de scurtă durată.
În relația (10.22 ) s-a avut în ved ere faptul că sumarea perturbațiilor sub
formă de flicker se face după o lege cubică.
Schema de principiu a conectării unui flickermetru la barele monitorizate ale
unui utilizator care determină perturbații sub formă de fluctuații de tensiune (de
exemplu, cuptor cu arc electric ) este indicată în figura 10.32 .
110 kV
60 MVA
35 kV
30 MVA
CAE TT
Fig.10.32 Schema de principiu a flickermetrului și conectarea la barele monitorizate. Bloc de adaptare;
Generator de
semnal de control Circuit de
simulare a
percepției umane
Valorile efective
ale fiecărei
semiperioade Circuit de
prelucrare a
datelor Valori flicker
instantaneu
Circuit de ieșire;
CPF ; Pst ; Plt
Circuit de memorare
Evaluarea calității energiei electrice din punctul de vedere al nivelului
fluctuațiilor de tensiune se face conform următoarei proceduri:
datele luate în considerare co respund unui interval de monitorizare de o
săptămână;
sunt analizate valorile succesive la fiecare 10 minute ale indicatorului Pst ;
sunt invalidate valorile obținute pe durata în care tensiunea la bare este în
afara intervalului Uc 15% sau în care a par goluri de tensiune cu adâncime mai
mare sau egală cu 15% din tensiunea contractată;
se evaluează indicatorul Plt pe baza a 12 valori valide și consecutive ale
indicatorului Pst ;
se determină numărul N de valori valide ale mărimii Plt ;
se determ ină numărul N1 în care indicatorul Plt depășește valoarea unitară;
se verifică dacă N 1/N 0,05.
314 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
10.9.2 Soluții pentru limitarea fluctuațiilor de tensiune
Fluctuațiile de tensiune la barele de alimentare a le unor utilizatori cu variații
aleatorii ale sarcinii, în speciale ale puterii reactive, determină flicker observabil
sistemele de iluminat electric , la monitoa rele
echipamentelor de calcul și la ecra nele TV.
Variațiile de tensiune sunt determinate , în
special , de circulația de putere reactivă d in re –
țeaua el ectrică. Î n figura 10 .33 se consideră , de
exemplu, un utilizator alimentat prin intermediul
unei linii electrice cu reactanța X și rezistența
electrică R. Dacă se admite că tensiunea U din
sistemul de alimentare rămâne practic constantă,
căderea de tensiune longitudinală U pe linie
rezultă
φsinφsinφcos IX IX IRU , (10.22
sau
sc BB
B B SQ
XUI U
UIX
UU
2φsin φsin
, (10.23)
Din relația (10 .23) se observă faptul că limitarea variațiilor de tensiune poate
fi obținută fie prin limitarea puterii reactive abso rbită din rețeaua electrică de
alimentare, fie prin creșterea curentului de scurtcircuit în nodul de alimentare.
Controlul în timp real al puterii reactive este cea mai eficientă soluție pentru
încadrarea nivelului fluctuațiilor de tensiune în limitele adm isibile. Pentru aceasta
există mai multe soluții (fig. 10 .34) în funcție de rigiditatea nodului (curentul elec-
tric de scurtcircuit) la care este conectat consumatorul perturbator și de acu ratețea
necesară de regla re. Ca exemplu, în figura 10 .34 a) este indicată graficul puterii re –
active absorbită de consu matorul pertur bator, iar în figurile 10.34 b), 10.34 c) și
10.34 d) sunt prezentate cele trei soluții princi pial posibile pentru controlul acestuia .
Acoperirea necesarului de putere reactivă cu con densatoare prezintă deza –
vantajul reglării în trepte. Totuși acest sisteme de reglare asigură, în cele mai multe
cazuri , încadrarea tensiunii la bare în limitele admise .
Utilizarea bobinelor cu reglare continuă asigură menținerea tensiunii la va –
loarea de consemn, dar are dezavantajul c ă determină apariția de armonice, datorită
prezenței elementelor semiconductoare în schemă.
Variațiile de tensiune determinate de pornirile repetate ale motoarelor mari ,
conectate direct în rețeaua de alimentare , pot fi li mitate prin controlul curentului de
pornire. Soluțiile utilizând controlul curentului de pornire cu ajutorul echipa men-
telor soft -starter permit limitarea căderilor de tensiune la valori care să nu afecteze
calitatea energiei electrice furnizată altor con sumatori.
În prezent , există soluții tehnic realizabile și eficiente pentru limitarea
fluctua țiilor de tensiune, în timp real, până la nivelul dorit. Este necesară o
cunoaștere exactă a caracteristicilor perturbației și alegerea celei mai bune soluții
atât din punct de vedere tehnic dar și economic. U R , X
UB I
S a)
φ U
UB
I RI jXI
ΔU
b)
Fig. 10.33 Alimentarea unui
consumator cu șocuri a) și
diagrama fazorială b).
Calitatea energiei electrice 315
Q
Qmin Qmax Qmed
t a)
Cf (Qmin) Cv (Qmax – Qmin)
b)
Cf (Qmax) Lv (Qmax – Qmin)
c)
Lv (Qmed – Qmin) Cf (Qmed) Cv (Qmax – Qmed)
d)
Fig. 10 .34 Controlul graficului de sarcină al puterii reactive.
10.10 Armonice și interarmonice
Elementele cu caracteristică neliniară sunt sursa armonicelor și interarmo ni-
celor din rețelele electrice. Prezența acestora, din ce în ce mai amp lă în sistemele
electroenergetice moderne, face ca analiza lor să aibă un caracter speci al. Din
această cauză , problemele specifice armonicelor și interarmo nicelor sunt analizate
într-un capitol special. Deși echipamentele pentru prelucrarea datelor achi ziționate
în scopul ana lizei armonicelor și interarmonicelor sunt din ce în ce mai perfecțio –
nate, evaluarea exactității informațiilor finale depinde , în mare mă sură, de carac –
teristicile de transfer ale fiecărui element al lanțului de măsurare (fig. 10 .35).
Transformatoarele de măsurare de tensiune TT și cele de curent electric TC
prezintă, în prezent, caracteristicile de transfer cele mai puțin performante dintre
toate elementele lanțului de măsurare. Informațiile imprecise de la bornele de ieșire
ale t ransformatoarelor de măsurare de tensiune și de curent electric sunt
determinate atât de caracteristicile de frecvență limitate ale acestora, cât și de
utiliz area lor în afara zonelor normate de lucru (transformatoare de măsurare de
curent electric parcurs e de curenți primari prea mici sau cu o sarcină excesivă în
secundar, transformatoare de tensiune cu o sarcină excesivă în secundar sau cu o
tensiune prea mare în primar). Pentru măsurări privind calitatea energiei electrice,
transfor matoarelor de măsura re trebuie să aibă o clasă de exactitate mai bună de 0,5
și să nu fie încărcate mai mult de 25 VA.
316 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Circuit de
transfer a
informațiilor TC Bară de înaltă
tensiune
Linie
electrică
Unitate de
măsurare
Semnal de intrare
în echipamentul de
măsurare
Unitate de
prelucrare
Rezultatul
măsurării Rezultatul
procesării
Fig. 10 .35 Lanțul de măsurare într -o instalație electrică. TT
Erorile datorate transformatoarelor actuale de tensiune și de curent electric,
exterioare, fac ca informațiile privind mărimile reale din circuitele de medie, înaltă
și foarte înaltă tensiune, mai ales în cazul semnalelor puternic distorsionate, să fie
imprecise, definind un semnal mai puțin d eformat decât cel real (armonice le superi-
oare sunt transmise cu o pondere mai redusă și deci distorsiunea pare a fi mai mică).
10.11 Perturbații sub formă de nesimetrie
10.11.1 Indicatori privind nesimetria de tensiune
și de curent electric
Într-un sistem trifazat, r egimul nesimetric poate fi determinat de cauze diferite
și poate fi temporar sau permanent :
temporar , dacă perturbația este determinată de defecte sau regimuri de
funcționare cu durată limitată în timp (scurtcircuite nesimetrice, întrerupere a unei
faze, defecte la consumatori etc.);
permanent , dacă rețeaua e lectrică prezintă parametri de circuit diferiți pe
cele trei faze în regim normal de funcționare sau prezintă o încărcare inegală pe
durate ma ri de timp .
Regimul nesimetric permanent poate fi determinat de:
sarcinile inegale pe cele trei faze ale rețel ei de alimentare de tensiune alter –
nativă trifazată;
receptoarele monofazate repartizate inegal pe cele trei faze (iluminat stra dal,
consumatori casnici etc.);
receptoare bifazate (aparate de sudare electrică, cuptoare electrice de in ducție
la frecv ență industrială, tracțiunea electrică etc.);
receptoare trifazate dezechilibrate (cuptoare cu arc electric);
impedanțe diferite ale liniilor electrice pe cele trei faze (în special liniile
electrice aeriene).
Definirea factorilor de nesimetrie și util izarea acestora în analiz a nesimetriei
în rețelele electrice industriale se bazează pe des compunerea în componente sime –
trice, ceea ce implică ipoteza că mărimile electrice au o variație sinusoidală.
Analiza circulației curenților electrici în rețeaua el ectrică pleacă de la premiza că
parametrii rețelei electrice sunt egali pe faze , ceea ce , de cele mai multe ori nu este
adevărat dar poate fi acceptat doar într -o primă aproximație.
Calitatea energiei electrice 317
Ipoteza mărimilor sinusoidale , folosită în calculul curenților de defect , este
acceptabilă , din punct de vedere practic, oferind datele necesare dimen sionării
sistemelor de protecție și a circuitelor parcurse de curentul de defect.
Dimpotrivă, adoptarea ipotezei mărimilor sinuso idale, în regim normal de
funcționare , poate co nduce, de multe ori, la erori importante care să distorsioneze
informația privind nesimetria. În aceste cazuri se preferă efectuarea de măsurători
pentru evaluarea nivelului de nesimetrie.
Problema cea mai importantă , din punct de vedere teoretic și exp erimental,
constă în existența unor definiții insuficient de precise în cazul regimul ui
nesinusoidal . Pot să rezulte , astfel, informații in suficient de clare pentru deciziile
care ar trebui să fie adoptate pentru limitarea nesime triilor.
În principiu , sun t folosite două moduri de definir e a factorilor de nesimetrie:
Sistemul european bazat pe descompunerea în componente simetrice a
mărimilor corespunzătoare celor trei faze
factorul de nesimetrie negativă
[%]100
UUku
, (10.24)
factorul de nesimetrie zero
[%]10000UUku
, (10.25)
Valorile valorile mărimilor de secvența pozitivă U +, negativă U și nulă U0
sunt determinate pe baza matricei de transformare în componente simetrice, pentru
tensiuni și pentru curenții electrici.
;
111 11
31
220
AAA
UUU
a aaa
UUU
, (10.26)
în care UA , UB și UC sunt tensiunil e pe fazele sistemului trifazat și a
operatorul complex de rotație cu 2 /3.
Principala problemă a definiției sistemului european este faptul că ea este
valabilă numai în cazul mărimilor sinu soidale, ceea corespunde unor cazuri rare în
rețelele electrice industriale. În unele cazuri, curbele de tensiune pot fi asimilate
unor curbe sinusoidale însă curbele de curent electric, în mare majoritate a cazu –
rilor, sunt puternic deformate și nu pot fi, nici măcar aproximativ, asimilate unor
curbe sinusoidale. În acest sens, pot fi definiți factorii de nesimetrie numai pentru
armonice le fundam entale ale tensiunii și curentului electric (dacă sunt necesari, și
pentru armonice).
Sistemul american bazat pe determinarea factorilor de nesimetrie defini ți în
standardele IEEE
medmed
mednUU U
UUk)3,2,1 max( max
, (10.27)
cu
33 2 1 U U UUmed. (10.28)
318 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Valorile m ărimilor din rela țiile (10 .27) și (10 .28) se obțin prin măsurarea
directă a tensiunilor pe cele trei faze .
10.11.2 Măsurarea factorilor de nesimetrie
Necesitatea de a menține în rețeaua electrică un factor de nesimetrie de 1%
sau 2% pentru curba tens iunii la barele de alimentare [10 .5] impune o monitor izare
a nivelului de nesimetrie , compararea cu nivelurile admise și, în unele cazuri,
alarmarea la depășirea acestora. Măsurarea directă cu ajutorul voltmetrelor sau
ampermetrelor este practic posibilă numai pentru o evaluare grosieră a existenței
nesimetriei în rețea.
Având î n vedere modificarea în timp a facto rului de nesimetrie apare
necesitatea urmăririi continue și prelucra rea, conform unui algoritm prescris , a
datelor obținute. În cazul determinărilor în rețele electrice cu curbe distorsionate
este obliga torie utilizarea unui filtru trece jos pentru elimin area armonicelor .
Pentru efectuarea măsurătorilor privind factorul de nesimetrie este necesar să
se verific e exactitatea de măsurare a transformatoarelor de măsurare de tensiune și
de curent electric. Utilizarea de grupuri de măsurare cu o clasă de exactit ate peste
0,5 nu este admisă , determinând erori de măsurare peste cele acceptabile. De
asemenea trebuie evitate sistemele de măsurare cu două transformatoare.
În general, valorile instantanee (determinate pentru o perioadă a mărimii
electrice nu prezintă i mportanță). Conform recomandărilor CEI [10.8] determină –
rile se fac pe intervale de observare succesive de 3 secunde , pe baza valorilor
obținute pe o fereastră de măsurare de circa 200 ms (10 perioade ale mărimii
alternative analizate), conform relației
mk
km
insi
sn
12
3
, (10.29)
în care m este numărul de determinări pe durata fiecărui interval de 3 s .
Valorile determinate pe intervale de observare de 3 s stau la baza
determinării valorii de 10 min, utilizată ca mărime de referință pentru evaluare a
nivelului de nesimetrie pe termen lung
200200
12
min,10
min10
ii n
nk
k
, (10.30)
Valorile de 10 minute sunt utilizate în evaluarea fenomenelor de supraîncălzite
în circuitele convertoare trifazate. De asemenea, aceste valori stau la baza realizării
curbei de probabilitate cumulată CPF pe durata unei săptămâni (maxim 1008 valori).
Valoarea de 95% a curbei de probabilitate cumulată este utilizată pentru compararea
cu valoarea normalizată și pentru evaluarea nivelului de perturbație sub formă de
nesimetrie. În ac elași timp se verifică faptul că niciuna dintre valorile de 3 s nu
depășește de 1,5 ori valoarea admisă.
Măsurarea în cazul curbelor de curent electric urmează aceeași procedură , ca
și în cazul tensiunilor. Determinările privind nesimetria curenților elec trici pot fi
Calitatea energiei electrice 319
utilizate pentru diagnosticul sau pentru coordonarea sistemelor de protecție.
Determinările pentru curbele de curent electric trebuie să ia în considerare faptul că
acestea sunt , în mod obișnuit , mai deformate decât curbele de tensiune, asfel că este
recomandabil ca informațiile privind durata unei semiperioade să fie obținute din
curbele de tensiune corespunzătoare.
În figura 10.36 sunt prezentate valori măsurate pe durata unei zile în două stații
de MT, la una dintre acestea fiind conectați c onsumatori cu un puternic dezechilibru
de consum pe parcursul unei săptămâni [ 10.14].
10.11.3 Efecte ale regimurilor nesimetrice în rețelele
electrice industriale
În analiza regimurilor energetice din rețelele electrice industriale se adoptă
ipoteza inițială că sursele din sistem determină la borne un sistem simetric al ten –
siunilor, iar nesimetria, în diferitele noduri din rețeaua electrică, este determi nată
fie de sarcinile inegale pe fazele sistemului datorate consumatorilor dezechilibrați ,
fie de impedanțele diferite pe fazele rețelei de transport și distribuție a energiei
electrice. În acest fel, chiar în cazul unui consumator echilibrat, transferul de ener –
gie pe li niile din sistemul energetic conduce la apariția regi murilor nesimetric e.
a) knU
[%]
4
3
2
1
0 504 1008 n knU
[%]
4
3
2
1
0 504 1008 n
b)
Fig. 10 .36 – Valori ale factorului de nesimetrie măsurate pe barele unei stații de medie tensiune, pe
durata unei săptămâni:
a) stație cu valori normale ale factorului de nesimetrie; b) stație cu receptoare perturbatoare.
Din punctul de vedere al consumatorului de energie electrică, furnizorul
trebuie să asigure , la barele de alimentare, încadrarea indicatorilor de nesimetrie de
tensiune în limitele de calitate admise. Utilizatorul este int eresat să monitorizeze
tensiu nile de alimentare pentru a avea informațiile necesare privind nivelul de ne –
simetrie și încadrarea sa în limitele admise.
Din punctul de vedere al furnizorului de energie electrică, utilizatorul trebuie
să asigure încadrarea perturbațiilor emise sub formă de nesimetrie în limitele
alocate , astfel încât să nu determine depășirea, la barele de alimentare, a valoril or
admise ale factoril or de nesimetrie. Furnizorul de energie electrică este interesat de
monito rizarea curenților electrici absorbiți de utilizator și de verificarea încadrării
nesime triei acestora în limitele alocate a perturbației.
Datorită regimului nesimetric apar perturbații atât la echipa mentele electrice
(mașini electrice rotative, transformatoare, baterii de condensatoare, conve rtoare sta –
tice de putere), cât și în rețelele electrice.
320 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Cele mai importante efecte ale nesimetriei tensiunilor de alimentare constau în
încălzirile, datorate pierderilor suplimentare, la mașinile electrice rotative de ten siune
alternativă trifazată. Încălzirea suplimentară este determinată de curenții de sec vență
negativă și zero care parcurg înfășurările mașinilor. De asemenea, nesimetria ten –
siunilor produce, în mașinile electrice rotative, cupluri de frânare . În cazul
nesime triilor fluc tuante apar vibrații, determină îmbătrânirea materialului . În același
timp rezultă o reducere a randamentului motoarelor.
Nesimetria tensiunilor determină reducerea puterii reactive furnizată de bate –
riile de condensatoare.
Nesimetria curen ților electrici are ca principal efect producerea de pierderi
suplimen tare în rețelele electrice de transport și distribuție, precum și în rețelele
industriale, cu consecințe negative asupra randamentului de transfer a energiei.
Regimul nesimetric are ca efect diminuarea ra ndamentului instalațiilor de re –
dresare și poate conduce la deteriorarea condensatoarelor filtrelor de netezire (apa re o
armonică de curent electric de rangul 2, proporțională cu factorul de netezire, care
supra încarcă condensatoarele din filtru).
Efectele regimurilor nesimetrice prezintă aspecte specifice în funcție de une –
le caracte ristici ale rec eptoarelor din rețeaua electrică industrială .
În analiza efectelor regimurilor nesimetrice asupra receptoarelor trifazate de
energie el ectrică este necesar să se ia în considerație:
influența inegalității , în modul , a amplitudinilor tensiunilor trifazate;
influența defazajelor, diferite de 2 /3, între tensiunile de fază.
a) Efecte ale inegal ității în modul a amplitudinilor tensiuni lor trifazate
Prezența, la bornele mașinilor rotative, a unor tensiuni nesimetrice conduce,
chiar pentru o componentă de secvență negativă de valoare scăzută, la o creștere con-
siderabilă a pierderilor de putere activă , ceea ce are ca efect încălzirea sup limenta ră
a înfășurărilor și a diferitelor părți ale statorului și ale rotorului.
Creșterea temperaturii afectează izolația înfășurărilor. Astfel, de exemplu, prin
creșterea temperaturii cu 8 C, durata de viață a izolației de clasă A a înfășu rărilor
scade la jumătate.
Prin construcție, motoarele asincrone prezintă o impedanță de secvență nega ti-
vă de circa 5 ori mai mare decât impedanța de secvență pozitivă. Motorul asincron,
alimentat cu ten siuni nesimetrice, absoarbe un curent de secvență negativ ă, care va
determina:
încălzirea suplimentară a statorului și a rotorului;
diminuarea puterii disponibile, a cuplului util și a duratei de viață.
În tabelul 10 .10 sunt preze ntate date experimentale care caracterizează funcțio –
narea motoarelor asincro ne, în condițiile alimentării cu tensiuni nesimetrice (nesime –
tria de tensiune se determină ca abaterea maximă a tensiunilor de fază față de valoa –
rea me die pentru cele trei faze, raportată la valoarea medie).
Experiență arată că durata de viață a motoare lor asincrone scade la jumă ta-
te, la o nesimetrie a tensiunilor de 4%.
O deosebită importanță o are influența nesimetriei tensiunilor asupra regi –
murilor de fun cționare ale mașinilor sincrone de puteri mari. Studiile efectuate, în
acest sens, au permis elaborarea de norma tive care reglementează funcționarea
Calitatea energiei electrice 321
mașinilor sincrone în re gimuri nesi metrice. Astfel, conform normelor actuale ,
mași nile sincrone trifazate trebuie să poată funcționa în permanență într -o rețea
dezechi librată, astfel încât nici unul din curenții de fază să nu depășească curentul
nominal, iar raportul dintre valoarea efectivă a componentei negative a sistemului
de curenți I și curentul nominal IN să nu de pășeas că valorile din tabelul 10 .11; în
caz de defect, se impune să nu fie depășit un indicator obținut ca produs dintre
I /In (In curentul electric nominal) și durata t (secunde) a defectului.
Tabelul 10.10
Date experimentale referitoare la funcționarea motoarelor asincrone,
alimentate cu tensiuni nesimetrice
Parametru Nesimetria tensiunilor,
(%)
0 2 3,5 5
Curentul de secvență negativă (%)
Curentul din stator (%)
Creșterea pierderilor (%)
– medie în stator
– maximă
– în stator
– în rotor
– în general, în motor
Creșterea temperaturii, (oC)
– Clasă A
– Clasă B 0
100
0
0
0
0
60
80 15
101
2
33
12
8
65
86 27
104
8
63
39
25
75
100 38
107,5
15
93
76
50
90
120
În tabelul 10 .12 sunt indicate cele mai ridicate supratemperaturi locale în
rotoarele generatoarelor, în condițiile unei s arcini nesimetrice de durată.
Importante efecte negative apar și în cazul alimentării cu tensiuni nesimetrice
a bateriilor de condensatoare .
Deoarece puterea reactivă de pe fiecare fază depinde de pătratul tensiunii
aplicate
Cf
fXU
=Q2
, (10.31)
bateria de condensatoare, conectată la o rețea cu tensiune nesimetrică, contribuie ea
însăși la agravarea nesimetriei , având în vedere faptul că pe faza cea mai încărcată
(cu tensiunea pe fază cea mai mică) va fi debitată cea mai redusă putere reactivă ș i
deci va fi realizată cea mai redusă îmbunătățire a factorului de putere.
În figura 10.37 este indicat modul în care inegalitatea modulelor tensiunilor
pe fazele de alimentare influențează tensiunea de ieșire a unui re dresor semi coman –
dat (fig. 10.37 a)).
În figurile 10.37 b) și 10.37 d) sunt indicate modul de conducție și tensiunea
la ieșirea redresorului, pentru cazul unei tensiuni simetr ice de alimentare, iar în
figurile 10.37 c) și 10.37 e) sunt indicate, modul de conducție și forma tensiunii de
ieșire, în cazul în care tensiunea uC , de pe faza C, prezintă o amplitudine diferită de
celelalte două tensiuni de fază.
Analiza compar ativă a curbelor din figura 10.37 c) și figura 10.37 e) pune în
evidență faptul că tensiunea de ieșire este influențată atâ t prin amplitudinea impul –
322 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
surilor , cât și prin durata de conducție a elementelor semiconductoare.
Tabelul 10 .11
Valori limită privind nesimetra tensiunilor la funcționarea mașinilor sincrone
de puteri mari
Tipul mașinii Valori maxime pentru
funcționare pe rmanentă I
/In Valori maxime pentru
funcțio nare în condiții de
defect
t I /In
Mașini cu poli aparenți
cu răcire indirectă:
– motoare
– generatoare
– compensatoare
sincrone
cu răcire directă (răcire
internă) a statorului și a
excitației:
– motoare
– generatoare
– compensatoare
sincrone
0,1
0,08
0,1
0,08
0,05
0,08
20
20
20
15
15
15
Mașini cu poli înecați
cu răcire indirectă:
– cu aer
– cu hidrogen
cu răcire directă (răcire
internă) a rotorului:
– 350 MVA
– (350…900) MVA
– (900…1250) MVA
– (1250…1600) MVA
0,1
0,1
0,08
*
*
0,05
15
10
8
**
5
5
*) Pentru aceste mașini , I /IN se calculează cu relația:
10000335008,0N
NS=II .
**) Pentru aceste mașini:
350 00545,08
N
NS tII ,
în care SN este puterea aparentă a motorului în MVA.
Tabelul 10.12
Influența regimului nesimetric de lungă durată asupra supratemperaturilor
locale [C],
în rotoarele turbogeneratoarelor
Curentul de secvență
inversă,
(%) Puterea turbogeneratorului,
(MVA)
140 173 220 265
Calitatea energiei electrice 323
10
15
20
25 21
50
–
– 12
22
35
– –
7
10
16 9
13
22
–
b) Efecte ale defazajelor diferite înt re tensiunile de fază
Nesimetria tensiunilor trifazate poate fi determinată și de defazaje diferite de
2/3 între tensiunile de fază. Acest lucru poate avea ca efect perturbarea funcționării
convertoarelor statice de putere (tiristoare cu comandă pe fază ). Rezultă o funcțio na-
re nesincronizată a semiconductoarelor din schema redresorului coma ndat. Ca
exemplu, în figura 10.38 este prezentat cazul unei alimentări cu tensiune trifazată,
cele trei tensiuni de fază având amplitudine egală dar defazaje diferit e.
ud A B C
a) T1 T3 T5
D2 D4 D6
u u
t
t ud uA uB uC uC uB uA
t
b) c)
d) e) ud
t
Fig. 10 .37 Influența tensiunilor nesimetrice asupra tensiunii de ieșire a unui redresor
semicomandat: a) schema redresorului; b) conducț ia semiconductoarelor în cazul unor
tensiuni simetrice; c) – conducția semiconductoarelor în cazul unor tensiuni nesimetrice;
d) – forma tensiunii redresate în cazul tensiunilor simetrice; e) – forma tensiunii redresate în
cazul tensiunilor nesimet rice.
În figura 10.38 a) este indicat sistemul trifazat de tensiuni, în care numai între
tensiunile uA și uB este un defazaj normal de 2 /3, iar tensiunea uC este defazată cu
un unghi mai mare de 2 /3 față de tensiunea uB . Anal iza tensiunii de ieșire ud (fig.
10.38 b)) pune în evidență neuniformitatea dura telor de conducție a elementelor semi –
conductoare din schemă, dar și diferența între amplitudinile tensiunilor de ieșire.
În figura 10.38 s-a luat în considerare faptul că i mpulsurile de comandă sunt
sincronizate, pe fiecare fază, cu trecerea prin valoarea zero a tensiunii respective. În
cazul sincronizării cu prima fază, pot să apară desincronizări importante în funcțio –
324 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
narea redresorului.
c) Pierderi suplimentare determina te de regimuri nesimetrice simultane
cu regimuri nesinusoidale
În practică, mai ales în rețelele de joasă tensiune, pot apărea cazuri în care
sunt prezente, simultan , regimuri nesinusoidale și nesimetrice .
Pe baza rezultatelor experimentale și a s tudiilor teoretice, se pot face estimări
ale pierderilor suplimentare, produse de acțiunea simultană, asupra echipamentelor
electrice, a regimurilor nesinusoidal și nesimetric. Relațiile de calcul pentru estima –
rea acestor pie rderi sunt indicate în tabelul 10.13.
t ud a)
b) u
t uA uB uC
Fig. 10 .38 Influența defazajelor inegale asupra
funcționării unui redresor trifazat semicomandat.
În tabelul 10 .14 sunt indicate valorile de calcul ale factorilor k’, k”, deter mi-
nate pentru parametri medii ai echipamentelor electrice standard.
Tabelul 10.13
Determinarea pierderilor suplimentare [kW], produse de acțiunea simultană
a regimurilor
nesinusoidal și nesimetric
Echipamentul electric Relația de calcul a l pierderilor suplimentare
Mașini electrice rotative
n
hhs P
hhuk kk P
122" '
Transformatoare
n
hh s S u
hhhk kk P
1222 05,01" '
Baterii de condensatoare
n
hh s Q uh k kk P
122" '
Calitatea energiei electrice 325
Linii electrice
0
122 22 3 3 P r Ih I I P
hh
În tabelul 10 .13, P sunt pierderile suplimentare de putere activă, produse de
acțiunea simultană a regimurilor nesinusoidale și nesimetrice; Pn , Qn , Sn – puter ea
activă, reactivă, aparentă nominală corespunză toare echipamentului respectiv [kW,
kVAr, respectiv kVA]; I +, I – valoarea efectivă a curentului de secvență pozitivă,
respectiv de secvență negativă [A]; uh valoarea relativă, rapor tată la fundamental ă,
a armonice i de tensiune de rang h; r – rezistența electrică a liniei electrice de trans –
port, la frecvența fundamentală [k ]; P0 – pierderi de putere activă în linia electrică
de trans port, în regim sinusoidal și simetric [kW]; ks – factor de nesimet rie negativă
de tensiune.
Deoarece valorile factorilor k’, k”, pentru motoarele asincrone, variază într -un
interval larg, în funcție de puterea nominală, aceștia se determină pentru f iecare caz
concret. În tabelul 10 .15 sunt indicate valorile factorilor k’ și k” pentru motoarele
asincrone folosite în diferite ramuri industriale.
Tabelul 10.14
Valorile de calcul ale coeficienților k’, k”
Grupa echipamentelor de același tip k’ k”
Turbogeneratoare
Hidrogeneratoare și motoare sincrone:
cu în fășurare de
amortizare
fără înfășurare de
amortizare
Compensatoare sincrone
Transformatoare:
(35 220) kV
(6 10) kV
Baterii de condensatoare 1,86
0,68
0,27
1,31
0,50
2,67
0,003 1,27
1,12
0,40
1,95
0,30
1,62
0,003
Tabelul 10.15
Valorile coeficienților k' și k", pentru motoare asincrone
Ramura industrială k' k"
Metalurgie 4,10 3,40
Chimie 4,05 3,36
Construcții de mașini 5,52 4,58
Industrie ușoară 7,01 5,82
Materiale de
construcții 5,06 4,02
Industria, în general 4,46 3,70
10.11.4 Soluții pentru limitarea emisiei perturbatoare
sub formă de nesimetrie
326 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Adoptarea soluției pentru simetrizarea sarcinii, la dep ășirea valorilor limită
admise în sistemele electroenergetice industr iale, intră în responsabilitatea utiliza –
torului perturbator.
În mod obișnuit, schemele de simetrizare conduc și la rezolvarea proble me-
lor de compensare a puterii reactive. Conectarea instalațiilor de simetrizare se face
numai după rezolvarea probleme lor determinate de eventuala existență a regimu –
lui nesinusoidal.
Pentru limitarea nesimetriilor determinate de consumatorii dezechilibrați
sunt posibile, în principiu, două soluții:
reconfigurarea schemei de alimentare a receptoarelor consumatorului
pentru a asigura o simetrizare a sarcinii;
utilizarea unor scheme speciale de simetrizare.
Reconfigurarea schemei de alimentare astfel încât să se asigure o încărcare
practic egală a fazelor (simetrizare naturală) este, de cele mai multe ori, cea mai
eficientă soluție, antrenând costuri relativ reduse.
Schemele de simetrizare pot fi realizate în două moduri:
cu transformatoare monofazate;
cu compensare (schemă Steinmetz).
Pentru a asigura simetrizarea sarcinii, transformatoarele monofazate pot fi
conectate în schema Sc ott (fig. 10.39) sau în V (fig. 10 .40).
În schema cu transformatoare Scott (fig. 10 .39), dacă bateria de conden sa-
toare C q este dimensionată astfel încât să asigure compensarea completă a puterii
reactive necesară receptorului b ifazat și dacă numărul de spire al transfor matoare-
lor (în primar și în secundar) corespunde v alorilor indicate în figura 10 .39, curenții
de fază, în raport cu curentul absorbit de receptorul bifazat, au valorile
Se ob servă faptul că, deși nu conduce la o simetrizare completă, utilizarea
transformatoarelor Scott conduce la încărcarea celor trei faze ale rețelei electrice de
alimentare, reducând, în cele mai multe cazuri, nesimetria determinată de recepto –
rul bifazat pân ă la un nivel admis.
Conectarea în V a două transformatoare monofazate identice (fig. 10 .40) și
alimentarea receptorului bifazat cu tensiunea rezultată prin înserierea înfășu rărilor
secundare, asigură încărcarea celor trei faze ale rețelei electrice de alimentare, iar
valorile curenților (în cazul unei compensări integrale a puterii reactive necesară
receptorului bifazat, prin alegerea adecvată a bateriei C q) rezultă :
IA = I ; IB = 2I ; IC = I . (10.33)
.)3/11( ;)3/11( ;)3/2( I I I I I IC B A (10.32)
Calitatea energiei electrice 327
A
B
C
M
Receptor
bifazat Cq IC IB
IA
I n n n
3
U1 U2
U
A’ C’ B’ I C
A
B M A’
B’ U2 U1 U
Fig. 10 .39 Schema de compensare cu transformatoare Scott
și diagrama fazorială corespunzătoare. C’
Deși nu rez ultă o încărcarea egală a celor trei faze, utilizarea schemelor cu
transformatoare în V determină, în cele mai multe dintre cazuri, limitarea nesime –
triilor până la valori impuse.
Schema de simetrizare cu compensare (schema Steinmetz) – figura 10.41 –
cuprinde bateria de condensatoare C și bobina L, dimensionate astfel încât curenții
de fază IA , IB și IC să fie egali ca modul și defazați între ei cu 2 /3 (se consideră că
bateria de condensatoare C q compens ează integral puter ea reactivă necesară
receptor ului bifazat).
Pentru a se asigura simetrizarea sarcinii este necesară compensarea com pletă
a puterii reactive necesară receptorului bifazat, iar valorile bateriei de conden –
satoare C și a bobinei L trebuie să fie determinate din relațiile
Fig. 10 .40 Schema de compensare cu transformatoare
conectate în V și diagrama fazorială corespunzătoare. A
B
C
Receptor
monofazat Cq IC IB IA
I
I U1 U2
U
A’ C’ B’ A
B C
U2
U1 U IA =IC
IB = 2IA
328 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
22
3;3
nn
UPCPUL
, (10.34)
în care Un este tensiunea nominală a rețelei (tensiune între faze), iar P este puterea
activă absorbită de receptorul bifazat.
Capacitatea bateriei de condensatoare Cq necesară compensării puterii
reactive a receptorului bifazat se determină în funcție de puterea P și factorul de
putere = cos
2tan
UPCq, (10.35)
Deoarece puterea activă P a consumatorului este , în general , variabilă, sche –
ma din figura 10 .41 trebuie să cuprindă element e reglabile Cq , C și L cu control
automat, pentru a asigura simetrizarea în orice moment . Reglarea în trepte a ele-
mentelor variabile poate conduce la variații ale tensiunii în rețea la fiecare comutație.
În cazul în care este ne cesar un control pe rmanent al nivelului de nesime trie,
sunt disponibile și scheme de reglare cu susceptanțe variabile în mod continuu
utilizând, de exemplu, tehnologie TCS ( Thyristor Controlled Sus ceptances ). Aceste
scheme pot fi integrate într -o schemă inteligentă de filt rare, com pensare și
simetrizare.
10.12 Concluzii
În ultimul timp, procesele tehnologice specifice industriei moderne foarte
sensibile la abateri față de calitatea normată a energiei electrice, au pus cu
pregnanță problema asigurării acesteia.
Calitat ea alimentării cu energie electrică, în special aspectele legate de
continuitatea în alimentare (calitatea serviciului de alimentare) a constituit întot dea-
una o preocupare deosebită, întreruperile fiind generatoare de daune în industrie.
În cele mai mul te cazuri abaterile de la regimul sinusoidal și simetric sunt
însoțite de daune la consumator prin nereali zarea producției, reducerea calității pro –
duselor realizate, reducerea productivității, rebuturi în producție, defecte în echipa –
mente, perturbarea procesului tehnologic pe durate mult superioare duratei între -Fig. 10 .41 Schema de compensare cu bobină și condensator, precum și
diagrama fazorială corespunzătoare. 3230/400 V; 50
Hz A B
C
Receptor
bifazat C
L Cq IA
IB
IC IAB
IBC
ICA ICA A
B
C UA
UB U
C
UAB UBC UCA
IAB
IBC IA
IC IB ICA
O
Calitatea energiei electrice 329
ruperii, accidente, cheltuieli suplimentare pentru salarii, materii prime, energie etc.
Stabilirea indicatorilor la care un utilizator este sensibil, analiz a domeniului
lor de variație, precum și deciziile privind creșterea nivelului calității energiei
electrice furnizate, prezintă un interes deosebit pentru utilizatorii finali .
Analizele realizate trebuie să pună în evidență caracteristicile calitative ale
energiei electrice posibil a fi furni zată la bara de alimentare a consumatorului , iar
acesta va putea decid e dacă acestea corespund exigențelor lor sau este necesară
efectuarea de investiții pentru creșterea nivelului de calitate sau pentru creșterea
imunității echipamentelor proprii la pertu rbații .
Bibliografie
[10.1] Dugan R.C. ș.a., Electrical Power Systems Quality , Second Edition, McGraw -Hill,
2002.
[10.2] *** Electra Guide de l'ingénierie électrique de réseaux internes d'usines ,
Technique & Documentation, Paris, 1986.
[10.3] *** Codul tehnic al rețelei electrice de transport , București, 2004
[10.4] Golovanov Carmen, Albu Mihaela, Probleme moderne de măsurare în
electroenergetică , Editura Tehnică, București, 2001.
[10.5] *** Voltage characteristics of electricity supplied by pub lic distribution systems ,
EN 50160/200 8.
[10.6] Fransua Al. ș.a. Mașini și sisteme de acționări electrice .Probleme fundamentale ,
Editura tehnică, Bucureșt i, 1978
[10.7] Borisov B.P. ș.a., Povâșenie efectivnosti ispolzovania elektroenergii , Kiev, Naukova
Dumka, 1990.
[10.8] *** Electromagnetic compatibility (EMC), Part 4 -30: Testing and measurement
techniques Power quaity measurement methods ,
[10.9] *** Electromagnetic compatibility (EMC) – Part 3: Assessment of emission limits
for flu ctuating loads in MV and HV power systems – IEC 61000 – 3 –7.
11
REGIMUL DEFORMANT
11.1 Aspecte generale
Sistemul electroenergetic este conceput să func ționeze în regim
sinusoidal , caracterizat de tensiuni și curenți electrici a căror variație în timp
este sinusoidală, cu frecvența egală cu cea nominală. în care curbele
tensiunilor și curenților electrici din cir cuit au formă sinusoidală, În prezent,
însă în cele mai multe dintre nodurile sistemului electroenergetic , formele
curbelor de curent electric și a tensiunilor prezintă disto rsiuni față de o curbă
sinusoidală.
Abaterea periodică a curbei curentului electric sau curbei tensiunii de la
forma sinusoidală se numește distorsiune sau deformare [11.1].
În analiza regimurilor distorsionate se consideră că la realizarea
genera toarelor din centralele electr ice au fost adoptate măsuri adecvate,
astfel încât, la bornele acestora, tensiunile prezintă o variație sinusoidală.
Distorsiunea este elementele neliniare, componente ale sistemului
electro energetic.
Odată cu dezvoltarea sistemelor de comandă și control realizate cu
semi conductoare de putere, sursele de curenți electrici distorsionați au
cunoscut o largă răspândire . atât în rețeaua electrică cât și la receptoarele
cone ctate în rețeaua poluată armonic.
O atenție specială trebuie acordată stabilirii uno r indicatori adecvați ,
care să de finească nivelul de dist orsiune, precum și a nivelului admisibil al
acestor indicatori.
În cazul regimurilor peri odice, curbele distorsionate pot fi considerate
ca o suprapunere de oscilații sinusoidale, cu frecvențe mult iplu întreg al
frecvenței fundamentale. În aceste condiții, analiza curbelor distorsionate se
poate face în domeniul frecvență, prin evaluarea mărimilor caracteristice
oscilațiilor componente ( armonic e). Acest mod de evaluare este , în prezent ,
larg utiliza t și stă la baza meto delor moderne de măsurare, analiză și
evaluare a mijloacelor de limitare a nivelului de dist orsiune. În realitate, în
rețeaua electrică, apar abateri de la regimul periodic, astfel încât
descompunerea în componente armonice este o met odă de evaluare
328 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
aproximativă a nivelului de distorsiune al curbelor tensiunii sau curentului
electric.
Sistemele receptoare finale de energie electrică, care funcționează la o
altă frecvență decât cea nominală (sisteme de utilizare alimentate prin
intermed iul convertoarelor de frecvență), sunt sursa unor curbe
distorsionate, care pot conține componente sinusoidale cu frecvență diferită
de un multiplu întreg al frecvenței fundamentale, numite interarmonice .
Prezența în sistemul energetic a curenților electr ici distorsionați im –
pune necesitatea adoptării de măsuri pentru depistarea surselor, evaluarea
nivelului distorsiunilor, analiza efectelor și adoptarea de măsuri pentru
limitarea daunelor.
Sistemele moderne de achiziție de date, de calcul și de execuție a u
permis elaborarea de metode de control în timp real al formei curbelor de
tensiune și de curent electric, ceea ce neces ită utilizarea unor indicatori de
evaluare a nivelului de distorsiune , în domeniul timp.
11.2 Indicatori ai regimului nesinusoidal
11.2.1 Indicatori în domeniul timp
Indica torii în domeniul timp sunt frecvent folosiți pentru o primă evaluare a formei curbei
distorsionate. Ca exemplu, în figura 11 .1 este indicată forma curenților electrici distorsionați , înregistrați la un
utilizator cu receptoare neliniare. Din analiza formei lor se constată că pentru caracterizarea unei curbe
distorsionate nu poate fi utilizat un singur indicator deoarece acesta nu po ate caracteriza univoc forma curbei
analizate .
a) Valoarea efectivă
Atât pentru o cur bă de formă sinusoidală , cât și pentru cele nesinusoidale , valoarea efectivă U a
tensiunii , aplicată la bornele unui rezistor liniar, este o măsură a efectului termic rezultat în rezistor
T
t uTU
02d1
, (11.1)
în care u este valoare a instantan ee a tensiunii , T intervalul de integrare.
În mod identic, valoarea efectivă I a curentului electric este o măsură a efectului termic într -un
rezistor liniar, parcurs de curentul electric i
T
t iTI
02d1
, (11.2)
b) Valoarea medie pe o semi perioadă
Regimul deformant 329
Este o măsură a nivelului tensiunii continue ce poate fi obținută în urma redresării une i tensiuni
alternativ e
2/
02/1 d2T
med tuTU
, (11.3)
în care T este perioada tensiunii .
Dacă valorile medii pe o semiperioadă ale semiperi oadelor succes ive ale tensiunii nu sunt egale, rezultă
că aceasta prezintă o componentă continuă egală cu diferența celor două valori. De menționat că, în sistemul
electroenergetic, cu siste mele actuale de măsurare a tensiunilor și a curenților electrici, care folosesc trans –
formatoare de măsurare de tip electromagnetic, nu poate fi pusă în evidență com ponenta continuă a
semnalului.
I [A]
2000
1000
0
1000
2000
3000 0 T/6 2 T/6 T/2 4 T/6 5 T/6 T 7T/6 8 T/6 9 T/6 10 T/6 11 T/6 2 T iC iA iB
Fig. 11 .1 Curenți electrici distorsionați ai unui consumator industrial trifazat.
În cazul curbelor fără componentă continuă, valoarea medie pe o semi perioadă poate fi determinată și ca
valoare medie pe o perioadă a modulului semnalului.
c) Factorul de vârf
Este definit ca raportul dintre valoarea maximă (amplitudinea uM) a curbei
nesinusoidale periodice și valoarea efectivă U a acesteia:
UukMv
. (11.4)
În cazul cur belor întâlnite în sistemele electroenergetice, factorul de vârf poate avea următoarele
valori :
pentru o curbă sinusoidală,
2vk ;
pentr u o curbă ascuțită ,
vk >
2 .
pentru o curbă aplatiz ată,
vk<
2 .
Curbele de tensiune caracterizate de un factor de vârf
vk >
2 pot deter mi-
330 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
na solicitări periculoase ale izolației echipamentelor electrice.
d) Factorul de form ă
Este raportul dintre valoarea efectivă a curbei și valoarea medie pe jumătate
de perioadă Umed1/2
2/1medfUUk
. (11.5)
Pentru curbe întâlnite în sistemele electroenergetice factorul de formă poate
avea valorile:
pentru o curbă sinusoidală , kf = 1,11;
pentru o curbă periodică mai ascuțită decât o sinusoidă , kf > 1,11;
pentru o curbă periodică mai aplatis ată decât o sinusoidă , kf < 1,11.
11.2.2 Indicatori în domeniul frecvență
Descompunerea în componente armonice a unei curbe distor sionate periodice permite definirea
acesteia prin mă rimi car acteristice ale compon entelor armonice. După cum se știe, utilizând transformarea
Fourier, orice periodică poate fi descompusă sub forma [11.1]
11 0 )αω sin(2 )(
hh h t h U Utu
, (11.6)
în care U0 este co mponenta continuă , Uh valoarea efectivă a armonicei de rang h, h defazajul armonicei
de rang h față de o origine de referință.
Pe baza d escompuneri i (11.6) sunt definiți indicatori ce carcaterizează componența spectrală a curbei
distorsionate.
a) Reziduul deformant
Se calculează ca valoare efectivă a armonicelor semnalului analizat
…2
32
22
02
12 Y U U Uu Ud
, (11.7)
Reziduul deformant este o măsură a efectului termic determinat de compo nentele armonice ale
semnalului distorsionat.
b) Nivelul ar monicei
Se definește ca raportul dintre valoarea efectivă a armonicei de rang h și valoar ea efectivă a
armonicei fundamentale (de rang 1)
1γUUh
h
. (11.8)
Nivelul armonicei este un indicator important pentru evaluarea nivelului de distorsi une, fiind normate
valorile sale maxim admise în curba tensiunii , la barele de alimentare .
c) Factorul de distorsiune
Regimul deformant 331
Se definește ca raport între reziduul deformant și valoarea efectivă a armonicei fundamentale
1UUTHDd
. (11.9)
Factorul de distorsiune THD (Total Harmonic Distortion ) este unul dintre indicatorii utilizați pentru
evaluarea nivelul de distorsiune, fiind normate valorile maxim admise la barele de alimentare .
d) Spectrul armonic
Spectrul este reprezenta rea grafică a nivelului armonice lor în funcție de rangul
lor. Acest grafic nu caracterizează complet dezvoltarea în serie Fourier, deoarece
nu dă informații asupra fazei unghiulare inițiale a armonice lor, fiind necesar , în
cazul general, și un grafic care să indice spectrul fazelor unghiulare inițiale .
11.3 Surse de perturbații armonice
Principalele surse de curenți distorsionați din rețelele electrice industriale sunt circuitele cu elemente
semiconductoare , utilizate pentru controlul și comanda proceselor te hnologice. Ca exem plu, în tabelul 11.1
sunt indicate formele curenților electrici absorbiți de diferite circuite cu elemente semiconductoare .
Specific sistemelor de redresare este faptul că ra ngul h al armonicelor , care apar în rețeaua electrică
de alimentare , depinde de nu mărul p de pulsuri al redresorului
,1 pmh (11.10)
în care m = 1, 2, …..
Astfel, pentru redresorul t rifazat dublă alternanță , larg întâlnit în practică, armonicele care apar
sunt de rang 5, 7, 11, 13, 17, 19 ….. Dacă se are în vedere și faptul că amplitudinea armonicelor scade odată
cu rangul acestora, rezultă că una dintre cele mai eficiente metode de reducere a nivelului de poluare armonică
este folosirea unor sisteme de redresare cu multe pulsuri. Totuși, utilizarea sistemelor de redre sare cu mai mult
de 12 pulsuri poate conduce la apariția în rețeaua electrică de alimentare a unor armonice, numite
necaracteristice, care nu corespun d regulii indicată în relația (11 .10), acestea fiind datorate imperfecțiunilor
din procesul de redresare, determinate de mici diferențe ale caracteristicilor redresoarelor [11.2].
Caracteristicile principale ale receptoarelor neliniare cu semiconductoare de putere sunt indicate
în tabelul 11.2.
O importantă sursă de armonice în rețeaua electrică o reprezintă circuitele magnetice funcționând în
zona de saturație. Ca exemplu, în figura 11 .2 este indicată forma curentului electric absorbit de o bobină cu
carateristică neliniară, alimentată cu o tensiune sinusoidală. Curba i(t) a curentului electric prezintă o
importantă componentă de rang 3, în opoziție de fază cu curba curentului fundamental [11.3].
Elementele reactive liniare determină amplificări ale dis torsiunii unora dintre mări mile electrice. Atfel ,
condensatorul liniar la bor nele căruia se aplică tensiune sinusoidală determină un curent electric sinusoidal,
dar ali mentat cu o tensiune nesinusoidală, curentul electric rezultă nesinusoidal, dar cu un nivel de deformare
superior tensiunii de la borne. De asemenea, bobina liniară, parcursă de curent electri c sinusoidal, conduce la
apariția la borne a unei tensiuni sinusoidale, dar parcursă de curent electric nesinu soidal rezultă o tensiune
nesinusoidală, cu un nivel de de formare superior curentului electric ce o parcurge.
Alte surse de armonice, cu caracte risticile lor, sunt indicate în tabelul 11 .3.
11.4 Efecte ale regimurilor nesinusoidale
332 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Creșterea ponderii elementelor neliniare în sistemele electroenergetice, atât ca puteri instalate, cât și ca
tipuri de echipamente, a condus la creșterea nive lului de poluare armonică a acestora, cu amplificarea
efectelor negative determinate de prezența armonicelor în rețeaua electrică.
Tabelul 11 .1
Factori de distorsiune pentru diferite tipuri de receptoare cu elemente semiconductoare
Tipul de sarcină Forma cu rentului electric Factor de
distorsiune
Alimentare monofazată
(redresor și condensator
de filtrare)
80%
(rangul 3 ridicat)
Convertor semicomandat
valori ridicate ale
armonicel or de rang 2,
3, și 4, pentru sarcini
reduse
Convertor cu 6 pulsuri,
filtru pur capacitiv
80%
Convertor cu 6 pulsuri,
filtru capacitiv și
inductivitate serie ( > 3%)
sau motor de tensiune
continuă
40%
Convertor cu 6 pulsuri și
inductivitate mare pentru
netezirea curentului
28%
Convertor cu 12 pulsuri
15%
Regimul deformant 333
Variator de tensiune
alternativă
Variază în funcție de
unghiul de intrare în
conducție
i i1 i2 2
1 , u, i
u
i
i T/4 T/2 3T/2
T
Fig. 11 .2 Forma curentului electric de mers în gol al unei bobine cu miez magnetic cu
caracteristică neliniară.
Tabelul 11 .2
Caracteristici ale surselor poluante cu semiconductoare de putere
Sursa poluantă Rangul armonice lor și amplitudinile
acestora
Redresoare monofazate
coman date sau semicomandate,
dublă alternanță cu sarcină
rezistivă sau curent filtrat, practic
continuu la ieșirea din redresor;
Montaje cu tiristoare în
antipar alel, cu sarcină rezistivă; armonice de rang impar;
amplitudinea armonice lor descrește
odată cu creșterea rangului lor;
dispariția unor frecvențe pentru diferite
valori ale unghiului de intrare în conducție a
mutatoarelor, în cazul redresării semico mandate
sau comandate.
Redresoare monofazate, simplă
alternanță, cu sarcină rezistivă sau
curent filtrat, practic continuu la ieșire. armoni ce de rang par și impar;
amplitudinea armonice lor scade odată cu
creșterea rangului lor.
Redresoare hexafa zate,
dodeca fazate, cu p faze. armonice de rang h = m p
1 (m = 1,
2, 3…);
amplitudinea armonice lor scade odată
cu rangul armonice i, aproximativ după relația:
2,11
hI=Ih
în care I1 este valoarea efectivă a
fundam entalei, iar h este rangul armonice i;
dispariția unor frecvențe pentru diferite
valori ale unghiului de intrare în conducție a
334 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
mutatoarelor în cazul convertoarelor
semicomandate.
Instalații cu redresoare
comanda te, monoalternanță; punți
de redresa re echipate cu diode și
tiristoare. armonice pare și impare;
amplitudinea armonice lor scade odată cu
creșterea rangului acestora.
Compensatoare statice ale
cuptoarelor cu arc electric armonice de rang 5, 7, 11, 13, …;
amplitudinea armonice i 5 de curent sub
20 % din amplitudinea fundamentalei curentului
electric;
amplitudinea armonice lor scade cu
creșterea rangului acestora.
Tabelul 11 .3
Surse de armonice în sistemul electroenerge tic
Sursa poluantă Rangul armonice lor și amplitudinile
acestora
Motoare electrice universale
saturate;
Tuburi fluorescente. armonice de rang impar;
amplitudinea armonice i 3 sub 15 % din
amplitu dinea fundamentalei;
descreșterea rapid ă a amplitudinii
armonice lor la creșterea rangului acestora;
apariția armonice lor pare în cazul tuburilor
cu descărcări în vapori metalici, pe durata încălzirii.
Cuptoare cu arc electric armonice de rang par și impar;
amplitudinea armonice i 2 de curent,
circa 5 % din fundamentala curentului electric;
amplitudinea armonice lor scade cu
creșterea rangului acestora.
Din punct de vedere practic, pot fi puse în evidență două tipuri de daune datorate regimurilor
nesinusoidale în rețeaua electr ică:
efecte datorate circulației curenților armonici;
efecte datorate tensiunilor armonice.
11.4.1 Efecte datorate circulației curenților armonici
a) Circulația curenților armonici în rețeaua electrică industrială
Circulația curenților armonici este însoțită de pierderi active în elementele
parcurse de curent ul electric . Nivelul acestor pierderi depinde de amplitudinea
compo nentelor spectrale și de fr ecvența acestora.
Regimul deformant 335
În ipoteza neglijării componentei continue, pierderile active în circuitele
parcurs e de cure nt electric pot fi calculate cu relația [11.1]:
12
max23
hh h Cu IR P
, (11.11)
în care Imax h este amplitudinea armonice i de rang h; Rh – rezistența electrică a ele –
mentului, cal culată pentru frecvența armonice i de rang h.
Un element de circu it parcurs de curent electric alternativ prezintă rezistența
electrică Rc.a. [11.1]
) 1(.. .. p s cc ac rr R R , (11.12)
în care Rc.c. este rezistența electrică în curent continuu; rs – factor care ia în con side-
rație efectul pelicular ( skin effect ); rp –factor care ține seama de efectul de pro ximi-
tate.
Dacă se neglijează variația cu frecvența a rezistenței electrice, adică se con –
sideră faptul că, indiferent de rangul armonicii, R1 = Rh, R1 fiind rezistența con –
ductorului pentru armo nica fundamentală, relația (11 .11) poate fi pusă sub forma:
2 2
1max1
12
max 1 123
23
I
kk Cu THD IR I R P
, (11.13)
în care THD I este factorul de distorsiune al curbei curentului electric.
Relația (11 .13) pune în evidență faptul că pierderile active în elementele
conductoare pot crește mult în cazul funcționării sistemului în regim periodic nesi –
nusoidal, comparativ cu regimul sinusoidal normal.
b) Funcționarea transformatoarelor trifazate în rețele electrice poluate
armo nic
Datorită creș terii rezistenței electrice a înfășurărilor , odată cu rangul armo ni-
celor de curent electric , rezultă creșterea pierderilor de putere activă în ma terialul
conductor .
Principalul efect al funcționării unui transformator electric în regim nesi nu-
soidal îl reprezintă ridicarea temperaturii datorită pier derilor suplimentare în înfă –
șurări și în miez. Pentru a evita depășirea temperaturii maxim admise de fabricant
este necesară reducerea încărcării, (denominarea transformatorului) , respectiv apli –
carea unui “ factor de depreciere k t a puterii nominale ”
S = ktSn, (11.14)
în care S este puterea aparentă în regim nesinusoidal; Sn puterea nominală
a trans formatorului.
Nivelul de denominare al transformatorului se ia în considerație prin factorul
k, ce permite o evaluare a în călzirii supli mentare a transforma toarelor parcurse de
curenți electrici deformați [11.2]
336 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
M
hhM
hh
IIh
k
1212
)() (
, (11.15)
în care Ih este valoarea efectivă a armonice i de rang h a curentului electric ce
parcurge înfășurările transformatorului, iar M numărul maxim de armon ice luate
în considerare.
c) Încărcarea conductorului neutru
În instalațiile de joasă tensiune, cu conductor neutru, existența surselor de cu –
renți electrici armonici determină circulația prin conductorul neutru a unui curent
electric armonic i0 obținut prin însumarea armonice lor de rang 3 m:
13 1 30) 3sin( 2 3
mm m t I i
, (11.16)
chiar dacă sistemul este echilibrat.
Valoarea efectivă a curentului care parcurge conductorul neutru este:
12
3max0.
23
mm I I
, (11.17)
în care Imax3m este amplitudinea armon icei de rang k=3m.
Curentul electric de armonică 3m se suprapune peste cel determinat de o
eventuală nesimetrie a curenților electrici ai sistemului și, în consecință, poate
apărea o supraîncălzire a conductorului, accentuată și de faptul că aria secțiun ii
transversale a acestuia, în construcțiile uzu ale, este inferioară celei corespunzătoare
conductoa relor de pe fazele active.
Problema su praîncălzirii conductorului neutru apare în special în rețelele de
distribuție de joasă tensiune, în care o po ndere însemnată a receptoarelor o repre –
zintă sistemele de calcul și instalațiile de iluminat cu descărcări în gaze și vapori
metalici; acestea se caracterizează prin tr-o valoare ridicată a armonice i de rang 3
(i3 poate atinge 80%), astfel că prin conductorul neutru vor circula curenți de
inten sitate ridicată. Având în vedere că acest conductor nu este prevăzut cu sis teme
de protecție, riscul de supraîncălzire și generare de incendii poate fi impor tant.
d) Efecte asupra funcționării întreruptoarelor și si guranțelor fuzibile
Distorsiunea curentului e lectric afectează funcționarea siguranț elor fuzibile
și a întreruptoarelor în mai multe moduri :
creșterea pierderilor de putere activă care determină ridicarea tempera turii elementelor sensibile ale
declan șatoarelor termice și ale altor elemente compo nente;
valorile mari ale parametrului d i/dt afectează eficiența dispozitivelor de
stingere a arcului electric;
valorile ridicate ale factorului de vârf determină funcționarea incorectă a
Regimul deformant 337
întreruptoarelor cu declanșatoare electronice, care se bazează pe detectarea maxi –
mului curbei curentului electric.
Distorsiunea curentului electric afectează siguranțele fuzibile , care sunt sen –
sibile la încălzirile suplimentare determinate d e armonice ; apare deci o tra nslatare a
caracteristicii de funcționare, iar în cazurile foarte severe, o acțio nare intempestivă.
11.4.2 Efecte datorate tensiunilor distorsionate în nodurile rețelei
electrice
Prezenț a tensiunilor deformate la barele de alimentare poate dete rmina daune
echipamentelor de utilizare a energiei elec trice. Acestea s unt datorate , în special ,
următoa relor efecte:
solicitări suplimentare ale izolațiilor determinate de nivelul tensiunilor
armonice din rețea (valorile tensiunilor depind de amplitudi nea și faza curenților
electrici armonici generați de diverse surse, precum și de existența fenomenelor de
rezonanță);
pierderi în materialele magnetice, PFe;
pierderi în dielectric, Pd;
incorecta funcționare a unor echipamente datorată prezenței armonicelor de
tensiune (sisteme de comandă și control, echipamente sin cronizate cu tensiunea
rețelei etc.);
a) Pierderile suplimentare în materialele magnetice
Aceste pierderi apar din următoarele cau ze:
fenomen de histerezis;
existența curen ților turbionari.
Pentru echipamentele monofazate cu caracteristici magnetice liniare
(lucrând pe porțiunea liniară a caracteristicii de magnetizare), prin
însumarea pierderilor pe ntru fiecare armonică rezultă [11.1]:
12
max2
1max
hh h T
hp
h h H Fe Bf a Bf a P
, (11.18)
în care fh = hf1 este frecvența armonice i de rang h; aH și aT constante care depind
de natura materialului; p = 1,5 2,5 constanta lui Steinmetz (exponent a cărui
valoare depinde de natura materialului ); Bmax h valoarea maximă a inducției pentru
armonica de rang h.
Inducția magnetică Bmax h se poate scrie sub forma:
hUc Bh
hmax
max
, (11.19)
în care Umax h este amplitudinea armonicii de rang h de tensiune; c – coeficient care
are valoarea:
1 21
fSNc
. (11.20)
338 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
În relația (11 .20), S este aria secțiunii transversale a circuitului magnetic; N –
numărul de spire; f1 – frecvența armonice i fundamentale.
Dacă se iau în considerație relațiile (11.19) și (11.20), relația (11 .18)
se poate scrie și sub forma:
1 12
max 21max1
h hhpp
hFe U c
hUc P
, (11.21)
cu
1 1 fcacp
H
;
2
12
2 fcacT
. (11.22)
b) Pierderile în materialele dielectrice
Aceste pierderi sunt localizate în principal în:
dielectricul condensatoarelor;
izolația circuitelor electrice.
Pierderile sunt determinate de componenta activă a curentului electric prin
izolație și de conductivitatea materialului dielectric. Valoarea componentei active a
curentului electric este influențată de temperatura și umiditatea mediului încon jură-
tor. Mărimea definitorie pentru p ierderile active în dielectric este tangenta un ghiu-
lui de pierderi care, pentru armonica de rang h, are valoarea
hhhQPδtan
, (11.23)
în care Ph sunt pierderile de putere activă corespunzătoare armonice i de rang
h, iar Qh puterea reactiv ă corespunzătoare acele iași ar monice .
În cazul condensatorului electric , considerat ca element liniar, plasat într -o
rețea în care apar tensiuni nesinusoidale, pierderile dielectrice pe fază pot fi deduse
din relația:
h
hh dc Uh fC P δtan π
12
max 1
, (11.24)
în care C este capacitatea electrică a condensatorului; Umax h amplitudinea armo –
nicei de rang h de tensiune.
În cazul liniilor electrice , pentru temperatură și umiditate normale, pierderile
dielectrice pot fi calculate cu relația:
h
hh h dl UCh lf P δtan π3
12
max 1
, (11.25)
în care Ch este capacitatea lineică , pe fază , corespunzătoare armonice i de rang h
(pozitivă, negativă sau zero, după cum h = 3m 1 sau h = 3m, cu m = 1, 2, 3,…);
l – lungimea liniei.
Regimul deformant 339
c) Creșterea potențialului punctului neutru pentru con exiuni în stea ale
transformatoarelor sau ale altor receptoare
Un receptor echilibrat sau un transformator coborâtor, trifazat, conectat într -o rețea electrică trifazată,
echilibrată, cu tensiuni sinusoidale, la frecvență fun damentală, dacă prezintă o con exiune stea, are potențialul
punctului neutru egal cu zero , în raport cu pământul . În cazul în care rețeaua electrică este afectată de un re –
gim periodic nesinusoidal, în punctul neutru apare un po tențial față de pământ a cărui valoare depinde de
raport ul dintre impe danțele ar monice ale laturii conexiunii în stea (fazei active) și a conductorului neutru .
Potențialul față de pământ al punctului neutru are valoarea [ 11.2]:
0
3330
3
311
ma
ma
m m
ZZU U
,
(11.26)
în care
a
mZ3 este impedanț a armonică a fazei active;
0
3mZ impedanța armonică a
circuitului de întoarcere .
Pentru armonice le de rang h =3m
1 , potențialul față de pământ al punctu –
lui neutru rămâne nul.
d) Supratensiuni în nodurile rețelei sau la bornele echipamentelor
Creșterea tensiunii în nodurile rețelei electrice sau la bornele echipa mentelor
poate fi determinată de:
rezonanță pe o armonică de tensiune;
creșterea potențialului punctului neutru în cazul conexiunilor în stea a
transformatoarelor din rețeaua electrică sau a receptoarelor trifazate.
e) Efecte asupra funcționării mașinilor rotative
Nivelul e fectelor armonice lor de tensiune a, asupra mașinilor electrice rotati –
ve, este determinat de:
tipul mașinii rotative (sincronă trifazată, asincronă mono și trifazată);
sursele de armonice din rețeaua electrică la care este conectată mașina.
Principalele efecte negative care apar la mașinile electrice rotative, deter mi-
nate de poluarea armonică a rețelei , în care sunt cone ctate , sunt:
modificări ale cuplului mașinii electrice, conducând la reducerea randa –
mentului acesteia;
creșterea temperaturii bobinajelor și a miezului magnetic datorate pier deri-
lor suplimentare în materialul conductor și în materialele magnetic e;
apariția de oscilații ale cuplului de torsiune pe arborele mașinii electrice, con tribuind la
îmbătrânirea materialului și la vibrații suplimentare;
modificări ale inducției magnetice în întrefi erul mașinii datorită armo nicelor;
interacțiuni în tre fluxul magnetic determinat de armonica fundamentală și fluxul magnetic
determinat de armonice .
Au fost puse în evidență următoarele aspecte [11.3]:
armonice le de rang h = 3m nu determină inducție în întrefier;
armonice le de rang h = 3m 1 conduc la apariția în întrefier a unui fazor
inducție magnetică care se rotește cu viteza h1 în sensul de rotație al rotorului,
340 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
respectiv în sens contrar , și are amplitudinea proporțională cu amplitudinea curen –
tului electric armonic de rang h;
armonice le determină , în general, creșterea pierderilor de putere activă și deci crește rea temperaturii
mașinii;
armonice le de rang h = 3m 1 determină apariția unui cuplu în sensul
de rotație, respectiv în sens contrar, având în vedere că viteza relativă de r otație a
fazorului inducție magnetică în raport cu rotorul este:
1 1 ω 3ω)1( m h , la mașinile sincrone;
1 1 ω) 3(ω)1( sm s h
, la mașinile asincrone (cu s s-a
notat alunecarea mașinii asincrone);
apar cupluri pulsatorii cu frecvența 3mf1 la mașinile sincrone și (3m
s)f1 la mașinile asincrone; aceste cupluri acționează asupra arborelui mașinii și
pot conduce la rezonanțe mecanice în cazul unor f recvențe egale cu frecvența pro p-
rie de vibrație a arborelui, amplificând astfel zgomotel e și solicitând suplimentar
materialul.
Cu o exactitate suficientă , din punct de vedere practic, se poate considera că
funcționarea motorului asincron în regim periodic nesinusoidal este echivalentă cu
funcționarea mai multor motoare (numărul acestora este egal cu numărul armo nice-
lor existente în tensiunea de alimentare nesinusoidală), cuplate pe același ax și ro –
tindu -se cu aceeași viteză, dar care sunt alimentate cu tensiuni de valoare efectivă
și frecvențe diferite U1 , U2 , … Uh , respectiv f1 , f2 , … fh cu fh = hf1 (h este rangul
armonice i).
Alunecarea corespunzătoare armonice i de rang h a curentului absorbit din
rețea se poate calcu la cu relația simplificată [ 11.2]:
hsh11
, (11.27)
în care semnul “ ” se referă la armonice le care formează un sistem de succesiune
pozitivă ( h = 3m + 1), iar semnul “+” la armonice le corespunzătoare sistemelor de
succesiune negativă ( h = 3m 1). Fiecare armonică va determina cupluri motoare
sau rezistente, care se adaugă sau se scad (în fun cție de acțiunea lor) la cuplul
principal generat de armo nica fundamentală.
Dacă se consideră, mai întâi, acțiunea unei armonice de succesiune po zitivă,
acesteia îi corespunde alunecarea s = 1 1/h . Pentru toate alunecările cuprinse
între limitele s = 1și s = 1 1/h rotorul se rotește cu o vi teză inferioară celei a
armonice i și armonica tensiunii electromotoare de rang h va determina un cuplu
motor. Pentru alunec ările cuprinse între limitele s = 1 1/h și s = 0, rotorul se
învârtește cu o viteză s uperioară armonice i de rang h și va apărea un cuplu
rezistent. Cuplul motor al armonice i se va adăuga la cuplul principal, iar cuplul
rezistent se va scădea din acesta .
Dacă rețeaua electrică de alimentare este caracterizată de o tensiune cu factor
de distorsiune relativ mare, poate să apară necesitatea reducerii încărcării mașinii
(o deno minare a puterii mo torului cu 5 10% poate fi impusă în cazuri foarte
defavorabile).
Regimul deformant 341
O problemă specifică apare în cazul acționărilor cu viteză variabilă (AVV),
unde motoarele sunt alimentate prin intermediul convertoarelor statice de frecven –
ță. Acestea (mai puțin cele care conțin invertoare cu comandă PWM) realizează o
tensiune puternic distorsionată care poate conduce la puternice solicitări termice și
mecanice a le motorului de acționare. În aceste situații, este necesar a analiza posi –
bilitățile practice de reducere a perturbațiilor și limitele de solicitare ale motorului.
f) Efecte ale regimului periodic nesinusoidal asupra echipamentelor
electronice
Echipa mentele electronice utilizate în sistemele de reglare sunt, în general,
alimentate cu tensiune sinusoidal ă, dar ele însele pot constitui surse poluante pen tru
rețeaua la care sunt conectate , datorită modului specific de modificare a mărimi lor
controlate (reglaj de fază, reglaj de durată etc.) .
La aplicarea la bornele acestor echipamente a unei tensiuni nesinu soidale,
caracteristicile tehnice ale instalați ei sunt modificate, putând determina efecte ne –
gative asupra comenzilor și o funcționare neco respunzătoare a echipamentului.
Poluarea armonică afecteaz ă echipamentele electronice pe mai multe căi,
dintre care cele mai importante sunt următoarele [11.2] :
Posibilitatea trecerilor multiple prin zero ale curbei de tensiune ca urmare a
distorsiunii armonice prezintă o problemă deosebită , deoarece un mare număr de
circuite electronice își bazează funcționarea pe sincronizarea cu trecerile prin zero
ale tensiunii rețelei. E ste evident că dacă apar mai multe astfel de puncte (decât
cele considerate pen tru armonica fundamentală), funcționarea echipamentului este
afectată și acesta nu își poate îndeplini în mod corect funcțiunile. În multe circuite
electronice, comutarea dispozitivelor semicoductoare se face la tensiune zero,
pentru a reduce interferen țele electromagnetice și șocurile de curent; trecerile
multiple prin zero ale curbei de tensiune pot afecta, și în acest caz, funcționarea
corectă a echipa mentelor;
Amplitudinea curbei de tensiune, respectiv valoarea factorului de vârf
trebuie avute în vedere deoarece unele surse electronice utilizează această informa –
ție pentru a asigura încărcarea condensatorului d e filtrare. Prezența armo nicelor
poate determina însă creșterea sau reducerea amplitudinii (efe ctul de ascuțire sau
de apla tizare a curbe i) tensiunii rețelei; ca urmare, tensiunea furnizată de sursă se
modifi că, chiar dacă valoarea efectivă a tensiunii de intrare este egală cu valoarea
nomi nală. Funcționarea echipamentelor alimentate de sursă est e perturbată ,
începând cu creșterea sensibi lității la goluri de tensiune și ajungând la grave
disfuncțio nalități. Pentru a se evita aceste efecte, unii fabricanți de calculatoare
limitează valorile facto rului de vârf la
1,02vk , iar alții impun ca factorul de
distorsiune să nu de pășească 5% .
Interarmonicele pot influența funcționarea monitoarelor și televizoarelor
prin modularea în amplitudine a frecvenței fundamentale. Pentru niveluri de peste
0,5% ale acestor componente, pot să apară modificări periodice ale imaginii pe
tuburile catodice.
11.4.3 Alte efecte ale regimului periodic nesinusoidal
342 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
a) Perturbații electromagnetice în schemele de distribuție TNC
În schema d e distribuție TNC (fig. 11 .3), cu conductorul neutru și conducto –
rul de protecție comune în în treaga rețea, curenții armonici de rang h = 3m care se
însumează în conductorul PEN al siste melor de distribuție cu 4 conductoare, vor
parcurge aceste circuite (inclusiv toate legă turile la masă și structurile metalice ale
clădirilor), determi nând căderi de tensiune im portante; acest fenomen poate con du-
ce la unele efecte negative, ca de exemplu:
corodarea pieselor metalice;
încărcarea anormală a unei legă turi de
telecomunicații care conectează ma sele a două
receptoare (cum ar fi i mprimanta și calculatorul);
radiații electromagnetice care per –
turbă funcționarea corectă a sistemelor de
calcul.
Având în vedere aceste aspecte, se
recomandă evitarea utilizării schemei TNC
în sisteme care con țin surse importante de
armonice 3m.
b) Influența asupra releelor de protecție
În general, este foarte dificil de evaluat comportarea diferitelor tipuri
de relee de protecție în regim nesinusoidal. Răspunsul de pinde de
amplitudinea ș i faza armonice lor.
c) Influențe asupra aparatelor de măsurar e
Influențele sunt diferite la aparatele analogice și aparatele numerice, aces tea
având o comportare diferită, în funcție de tipul lor.
Funcționarea aparatelor analogice de măsurare în rețele poluate armonic
este însoțită de erori relativ mari, atât în sens pozitiv, cât și în sens negativ și sunt
dependente de tipul aparatului.
Cel mai utilizat aparat pentru măsurarea energiei, contorul de inducție, este puternic afectat de
distorsiunea curbelor de curent și de tensiune. Testele efectuate au evidenți at următoarele:
erori de până la – 20% în cazul unor deformări semnificative ale
curbelor de tensiune și de curent electric;
erori de până la +5% pentru tensiune sinusoidală și curent electric
defor mat;
posibile rezonanț e mecanice în domeniul (400 1000) Hz.
Ampermetrele și voltmetrele numerice sunt imune la distorsiunea curbei
numai în cazul în care sunt prevăzute cu convertor tensiune continuă – valoare
efecti vă a tensiunii alternative.
Pentru wattmetrele și contoarele de energie activă el ectronice , erorile
constatate în cazul conectării la sisteme poluate armonic au fost sub 0,1%; ele sunt
determinate de caracteristicile de frecvență ale canalelor de intrare (curent sau ten –
siune) și de anumite neliniarități. Problema funcționării contoare lor electronice în
regim periodic nesinusoid al necesită un studiu specific .
A
B
C
PEN
A B C N
Echipament
Fig. 11 .3 Rețea
TNC.
Regimul deformant 343
d) Daune economice
Prezența armonicel or în rețeaua electrică determină daune , în principal , datorită:
creșterii cheltuielilor de fabricație pentru limitarea neliniarităților
specifice diferitelor echipamente sau pentru creșterea nivelului de imunitate
la pertur bații (încadrarea echipamentelor în clasele de imunitate impuse de
normativele în vigoare);
creșterea cheltuielilor de exploatare pentru operații de mentenanță pre ven-
tivă sau corectivă;
creșterea cheltuielilor de producere a energiei electrice și, în general, ma jo-
rarea investițiilor în sistemele energetice datorită necesității supradimen sionării
elementelor rețelei.
11.5 Sisteme de măsurare a nivelului pe rturbațiilor
armonice
11.5.1 Echipamente de măsurare
Evaluarea nivelului de distorsiune a unei curbe de tensiune sau de curent
electric din sistemul electroenergetic necesită utiliza rea unei proceduri normalizate.
Aceasta este impusă deoarece , în rețeaua electrică, metoda larg utilizată de analiză
în domeniul frecvență a curbelor distorsionate , pe baza transformării Fourier , nu
poate fi teoretic utilizată , având în vedere că nu sunt îndeplinite condițiile Drichlet
de utilizare a acestei a.
Înainte d e efectuarea unor măsur ători de detaliu, este necesar să fie realizată
o evaluare subiectivă a existenț ei mă rimilor distorsonate. În acest sens, este
suficient a utiliza un osciloscop sau un aparat numeric cu funcție de osciloscop
pentru a observa forma curbei mărimii analizat e și a aprecia eventuala abatere față
de o sinusoidă. De asemenea, pot fi utilizate aparate numerice simple pentru
măsurarea factorului de distorsiune, a valorii de vârf sau a factorului de formă.
Numai dacă se constantă existența dist orsiunii mărimilor electrice, urmează a fi
efectuată o monitorizare pentru determinarea cantitativă a indicatorilor care
definesc regimul.
Scopul analizei mărimilor distorsionate poate fi:
stabilirea nivelului de distorsiune în punctul analizat și compar area cu
valorile admise, conform normelor sau clauzelor contractuale;
depistarea surselor de p erturbații sub formă de armonice sau interarmo nice;
stabilirea soluțiilor pentru limitarea nivelului de distorsiune în punctul ana –
lizat (modificări în reg imul de lucru sau eventual investiții în filtre de armonice );
validarea soluțiilor adoptate pentru limitarea distorsiunii în punctul analizat.
La efectuarea determinărilor este necesar să se cunoa scă configurația rețelei
în aval și în amonte de punctul d e măsurare, existența circuitelor în funcțiune și a
celor deconectate, starea și modul de funcționare al echipamentelor pentru îmbună –
tățirea factorului de putere, regimurile de funcționare ale consumatorilor din zonă.
O importantă cantitate de informații privind nivelul de distorsiune poate fi
344 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
obținut ă din analiza informațiilor stocate în echipamentele moderne de comandă și
protecție, dotate si cu funcții privind calitatea energiei electrice.
Determinările utilizând echipamente mobile analizoare de semn al de tip
expert sunt necesare pentru analize de detaliu în noduri ale rețelei electrice , cu
nivele ridicate de distorsiune armonică, stabilite anterior prin metode simple.
Schema de principiu a unui echipament care face analiza distorsiunii armo –
nice a curbelor de tensiune și de curent electric, cu determinarea puterilor armo nice
este indicată în figura 11 .4. Echipamentul de măsurare cuprinde în principal urmă –
toarele blocuri [11.4]:
circuitul de intrare cu filtru antirepliere ( antialiasing );
conv ertor A/N incluzând circuite de eșantionare memorare;
sincronizare și eventual fereastră de preprocesare;
procesor DTF pentru obținerea coeficienților am și bm ai transformării
Fourier.
În circuitul de intrare, semnalul analizat este pretratat , astfel încât să fie eli –
minate frecvențele superioare rangului maxim pe care îl poate opera instrumentul.
În general, pentru analiza semnalului este utilizată o fereastră dreptunghiu –
lară sincronizată cu o lățime de 10 perioade, cu o eroare de cel mult 0,03 % .
Echipamentul trebuie să aibă o posibilitate de sincronizare la trecerea prin zero a
curbei (sau altă metodă de sincronizare), cu o acuratețe determinată , la o even tuală
variație a f recvenț ei semnalului cu cel puțin 5 % în raport cu frecvența no minală
a rețelei electrice.
Circuitul de intrare de curent electric poate fi prevăzut pentru intrare directă
(circuit de impedanță redusă) sau cu intrare pentru traductoare de curent (în general
transformatoare de curent electric cu un șunt adițional). Tens iunea de intrare în
circuitele de preprocesare este în mod obișnuit de 0,1 V.
Pe durata măsurătorilor este necesar a evalua nivelul componentei continue a
semnalului. Această componentă, deși nu este sesizată în mod obișnuit de echipa –
mentul de măsurare (d atorită prezentei transformatorului de măsurare), poate deter –
mina erori importante determinate de magnetizarea transformatorului de măsurare
de curent din circuitul de intrare.
Regimul deformant 345
Coeficienți
am și bm
Intrare de curent
electric Preprocesare a
semnalului Intrare de
tensiune
Preprocesare a
semnalului
Eșantionare Generator
frecvența de
eșantionare
DFT
Calcul valori
„instantanee” ale
indicatorilor
Valori
„instantanee” ale
indicatorilor
Calcul valori
agregate ale
indicatorilor
Valori agregate ale
indicatorilor;
curba probabilității
cumulate
Fig. 11 .4 Schema de principiu a unui echipament pentru analiza curbelor distorsionate.
Pe durata măsurătorilor este necesar a evalua ni velul componentei continue a
semnalului. Această componentă, deși nu este sesizată în mod obișnuit de echipa –
mentul de măsurare (datorită prezentei transformatorului de măsurare) , poate deter –
mina erori importante determinate de magnetiz area transformatoru lui de măsurare
de curent din circuitul de intrare.
Circuitul de intrare de tensiune este dimensionat pentru o creșter e a tensiunii
de intrare cu 20 % față de valoarea de referință. În mod obișnuit, aceste echipa men-
te acceptă un factor de vârf cel mult e gal cu 2.
În cazurile practice, măsurarea curentului electric, chiar în circuitele de joasă
tensiune , se face prin intermediul unor transformatoare de măsur are („clești de mă –
surare”). Aces te traductoare trebuie să corespundă condițiilor de măsurare în ins ta-
lații temporare (IEC 61010 -2-032).
În mod obișnuit, în cazul măsurătorilor în rețelele de joasă tensiune, echipa –
mentele de măsurare trifazate permit și măsurarea curentului electric în conductorul
neutru și a diferenței de potențial între conductorul n eutru și pământ . Aceste echi –
pamente trebuie să fie prevăzute deci cu 4 canale de curent electric și 4 canale de
tensiune.
Dacă se urmărește și analiza puterilor în cazul curbelor distorsionate , o
atenție deosebită trebuie acordată verificării diagramei f azoriale a tensiunilor și
curenților precum și corelarea acestora. Cele mai multe erori pot fi determinate de
conectarea inadecvată a transformatoarelor de măsurare de curent electric (așa
numita „inversare a cleștilor de curent”).
11.5.2 Proceduri de eval uare a calității tensiunii distorsionate
346 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Evaluarea calității energiei electrice, din punctul de vedere al distorsiunii
armonice se face prin compararea valorilor determinate cu valorile admise. Proce –
dura de verificare este următoarea:
se consideră in tervalul de monitorizare pe o săptămână și sunt disponibile
valorile agregate pe 10 minute;
se determină numărul de intervale N de 10 minute în care tensiunea , în
nodul analizat , nu a avut o abatere mai mare de 15 % față de tensiunea contractată;
se determină numărul N1 de intervale în care valorile agregate pe 10 minute
ale nive lului armonice lor, pe durata în care tensiunea în nodul analizat nu a avut o
abatere mai mare de 15 % față de tensiunea contractată, au depășit limitele indicate
în normative;
se determină numărul N2 de intervale în care valorile agregate pe 10 minute
ale factorului total de distorsiune, pe durata în care tensiunea în nodul analizat nu a
avut o abatere mai mare de 15 % față de tensiunea contractată, au depășit limitele
indic ate în normative;
se verifică faptul că N1/N 0,05 și N2/N 0,05.
11.5.3 Aspecte practice la efectuarea măsurătorilor privind
distorsiunea armonică
Efectuarea evaluării nivelului de distorsiune în instalațiile electrice necesită
o serie de precații atât tehnice , cât și de securitate a muncii.
Principalele aspecte legate de securitatea muncii sunt cuprins e în
recomandările CEI 61010, care impun respectarea normelor de lucru în zonele cu
pericol de electrocutare [11.5]:
nu este admisă uti lizarea de improvizații în schema de măsurare;
în cazul efectuării de determinări pe intervale mari de timp , o atenție deo –
sebită trebuie acordată asigurării locului de plasare a echipamentelor, astfel încât să
nu perturbe eventualele intervenții ale p ersonalului de lucru în cazul unor incidente;
echipamentele de măsurare cu carcasă metalică trebuie legate la pământ; în
acest sens se va acorda o atenție deosebită măsurătorilor în circuitele secundare în
care una dintre faze poate fi legată la pământ, iar nulul este sub tensiune;
bornele aflate la tensiune trebuie să fie protejate pentru a evita atingeri
directe;
conectarea circuitelor de curent electric ale echipamentelor de măsurare în
serie cu secundarul transformatoarelor de măsurare de curen t electric din stațiile
electrice nu este recomandată, necesitând întreruperea, chiar pentru scurt timp a
circuitelor de măsurare de curen t electric ; este recomandată utilizarea „ cleștilor de
curent electric ” , în măsura în care corespund recomandărilor CE I 610102032.
Principalele preca uții care trebuie urmărite, din punct de vedere tehnic sunt
următoarele:
utilizarea traductoarelor de măsurare (divizoare de tensiune, clești de
curent electric ) adecvate intrărilor echipamentului de măsurare;
traduc toarele de măsurare trebuie să aibă o caracteristică de frecvență
adecvată domeniului de frecvență analizat (în cazul part icular al monitorizării
Regimul deformant 347
armonice lor, o bandă de frecvență cel puțin până la 2000 Hz);
traductoarele de măsurare trebuie să reziste unor evenimente din rețeaua
electrică (supratensiuni, scurtcircuite) fără a fi afectată integritatea lor fizică și
exactitatea de măsurare;
în cazul determinărilor în circuitele secundare ale instalațiilor de înaltă ten –
siune , trebuie evaluată incertit udinea de măsurare determinată de prezența trans for-
matoarelor de măsurare de tensiune și a celor de curent electric; în acest sens,
trans formatoarele de măsurare de tensiune trebuie să corespundă pr escripțiilor din
CEI 60044 -2, iar transformatoarele de măsurare de curent electric, pr escripțiilor din
CEI 60044 -1;
la evaluarea nivelului de distorsiune, pentru armonice sau interarmonice ,
este necesar a avea în vedere următoarele aspecte privind caracteristica de frecvență:
transformatoarele de măsur are de tip electromagnetic au o bandă d e
frecvență ce nu depășește 1 kHz;
divizoarele capacitive de tensiune au o bandă de frecvență până la
sute de kHz;
divizoa rele rezistive au o bandă de fr ecvență c e poate depăși sute de
kHz;
transformatoar ele de măsurare de curent electric, de tip electro –
magne tic, au o bandă de frecvență ce nu depășește 1 kHz;
transformatoarele de măsurare de curent electric de tip Hall au o
bandă de frecvență care ajunge până la 10 kHz.
existența transformatoarelo r de măsurare bazate pe alte principii (elemente
Hall, circuite optice , cordon Rogowski ) trebuie analizată din punctul de vedere al
incertitudinii de măsurare;
transformatoarele de măsurare clasice, de tip electromagnetic sau capacitiv
nu pot fi utiliza te pentru analiza unor fenomene cu variație rapidă;
la utilizarea șunturilor de măsurare , pentru analiza cu exactitate ridicată a
formei curentului electric în circuit , este necesar a acorda o atenție deosebită
conectării în circuit a echipamentului de măsurare , din punctul de vedere al
izolaț iei electrice;
echipamentul de măsurare utiliz at pentru monitorizarea armonicelor sau
interamonice lor trebuie să evalueze nivelul de distorsiune pe baza algoritmului
indicat în CEI 61000 -4-7/2002 [11.6].
11.6 M ijloace de limitare a armonicelor
11.6.1 Filtre pasive
Modernizarea receptoarelor de energie electrică, în primul rând prin
utilizarea reglării consumului de energie electrică în funcție de proces, a determinat
folosirea largă a semiconductoarelor de putere și creșterea astfel, a surselor de re –
gim nesinusoidal. Atât marii consumatori, industria de aluminiu, industria meta lur-
gică (cu un aport deosebit datorită dezvoltării în viitor a cuptoarelor cu arc electric
alimentate la tensiune continuă), indu stria prelucrătoare, dar și micii consumatori,
348 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
consumatorii casnici, consumatorii din secto rul terțiar, constituie în prez ent surse
importante de armonice și interamonice . Limitarea armonicelor , într -o zonă cât mai
apropiată de sursa perturbatoare, este una dintre condițiile reducerii pierderilor de
energie activă în circuitele parcurse de curenții electrici nesinusoidali dar și a altor
efecte datorate propagării acestor curenți electrici .
Una dintre soluțiile eficiente pentru limitarea curenților electric i armonici
este utilizarea filtrelor pasive.
În principiu , un filtru pasiv cuprinde mai multe circuite rezonante LC care
realizează , pentru armonice le semnificative , căi de impedanță practic nulă. În acest
fel, circulația curenților armonici se limitează numai pe circuitul sursă pertur ba-
toare filtru. Locul de plasare a fi ltrului și deci nivelul pierderilor pe circuitul
parcurs de curentul electric distorsionat, este stabilit , în special , pe criterii econo –
mice. În mod obișnuit, filtrul pasiv este cone ctat la barele de alimentare ale consu –
matorului, asigurându -se astfel ca curentul electric absorbit de consumator să se
afle în limitele de distorsiune acceptată de furnizorul de energie electrică.
Conectarea unui filtru electric absorbant la barele de alimentare ale consu –
matorului perturbator, cu regim staționar cunoscut, este unul dintre mijloa cele cele
mai eficiente de limita re a transferului de armonice în rețeaua electrică și de limi –
tare a solicitării condensatoarelor din bateria pentru compens area puterii reacti ve.
Filtrul electric absorbant (fig. 11.5) cuprinde un ansamblu de circuite
rezonante serie, fiecare dintre aceste circuite prezentând o impedanță practic nulă
pentru una dintre armonice le generate de consumatorul perturbator.
RL RN L5
C5 L7
C7 L11
C11 L13
C13 C T
Fig. 11 .5 Conectarea filtrului absorbant la
barele consumatorului perturbator.
Filtrul absorbant este conectat la barele de alimentare ale consumatorului
perturbator, la care sunt conectate receptoarele cu caracteristică neliniară RN, re –
ceptoarele liniare RL, precum și, dacă este necesară, bateria de condensa toare C
pentru compensarea puterii reactive.
Dimensionarea filtrului absorbant se face pe baza informaț iilor privind sur sa
de armonice (considerată ca sursă de curent electric ), a caracteristicilor rețelei
electrice de alimentare, precum și de valoarea a dmisă a factorului de distorsiune. În
calcule se iau în considerare valorile probabile , cele mai mari , ale curenților
electrici armo nici. În mod obișnuit, filtrul absorbant cuprinde circuite rezo nante pe
armonice le 5, 7, 11 și 13, care sunt cele mai im portante în sistemul electro energetic
indus trial. În mod normal n u se ia în considerație armonice le pare și cele multiplu
de 3, având în vedere limitarea acestora de către transformatoarele stea triunghi.
Proble ma armonice lor de rang multiplu de 3 de vine importantă dacă se are în ve –
Regimul deformant 349
dere tendința de utilizare a transformatoarelor stea -stea în locul celor stea -triunghi
(mai scumpe față de cele stea -stea, de aceeași putere normată, cu peste 15 %).
Deoarece fiecare dintre circuitele re zonante ale f iltrului de armonici prezintă
caracter capacitiv la frecvențe inferioare frecvenței de re zonanță definită de armo –
nica hi (fig. 11 .6) și ca racter inductiv pentru frecvențe superioare aces tei valori,
rezultă că la frecvența fun damentală fiecare d intre circuite generează putere reac –
tivă și trebuie luate în considerație la analiza prob lemelor legate de compensarea
puterii reactive. În mod uzual, la barele de alimentare ale consuma torului este
conectată bateria de condensatoare C care, împreună cu capacitatea echi valentă a
circuitelor rezonante, asigură compensarea puterii reactive pentru a obține valoarea
impusă a factorului de putere.
h B(h)
1 hi
Circuit
capacitiv Circuit
inductiv Lhi
Chi
Fig. 11 .6 Susceptanța circuitului rezonant al
filtrului absorbant.
2 22
1)(
h hhC hhB
iii
Fiecare dintre circuitele rezonante ale filtrului poate fi definit de următoa rele
mărimi:
putere reactivă la frecvența fundamentală;
frecvența de rezonanță fhi corespunzătoare armonice i hi ;
factorul de calitate (atenuarea determinată de rezistența electrică a cir cui-
tului, în special a bobinei din componența filtrului) .
Elementele fiecărui circuit rezonant se dimensionează astfel încât să nu fie
depășite solicitările termice și electrice admisibile. Conform normelor actuale
[11.3] este admisă o supraîncărcare de durată a condensatoarelor utilizate în circui –
tul fil trelor de armonice până la 1,3 ICN , unde ICN este curentul normat al conden sa-
torului, și o supratensiune de durată până la 1,1 UCN , unde UCN este tensiunea no r-
mată a condensatoarelor.
Prezența filtrului absorbant la barele de alimentare ale consumatoru lui face
ca în rețeaua electr ică să se propage numai armonice le reziduale, care pot fi limi –
tate prin conectarea unei bobine în serie sau de către inductivitatea transforma to-
rului de alimentare a barei. Tensiunea la barele de alimentare, î n prezența filt rului
de armonice poate să fie considerată ca fiind apropiată de cea sinusoidă. La dimen –
sionarea circuitelor rezonante ale filtrului absorbant se consideră că tensiunea de
alimentare este sinusoidală (cuprinde numai armonica fundamentală).
Fiecare dint re circuitele rezonante ale filtrului absorbant este parcurs de un
curent electric determinat de armonica pentru care este dimensionat (pentru care
prezintă o impedanță practic nulă), de armonica fundamentală (determinată de ten –
350 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
siunea sinusoidală de la barele de al imentare), precum și de armonice pentru care
nu sunt prevăzute circuite rezonante. Astfel, dacă la barele de alimentare sunt co –
nectate circuite rezonante p entru armonice le 5, 7, 11 și 13, toate circuitele rezo nan-
te vor fi parcurse și de arm onice de rang mai mare sau egal cu 17. Amplitudinea
acestor curenți, prin circuitele rezona nte dimensionate pentru armonice de rang in –
ferior, este neglijabilă. Acest lucru este determinat de faptul că fiecare circuit rez o-
nant prezintă, pentru armonice de frecvență superioară frecvenței de rezonanță, un
caracter inductiv.
Deconectarea, pentru revizii sau reparații, a unor circuite rezonante din com –
ponența filtrului absorbant, pe durata funcționării sursei de perturbații, conduce atât
la creșterea valori i factorului de distorsiune a curentului electric ce se propagă în
rețeaua de alimentare, cât și la suprasolicitarea circuitelor rezonante rămase în
funcțiune și având frecvența de rezonanță superioară celei a circuitului deco nectat.
Pentru a evita aceas tă situație, sistemele de control automat al regimului defor mant
și al compensării puterii reactive asigură conectarea circuitelor începând de la cir –
cuitul cu frecvența de rezonanță cea mai mică și deconectarea începând de la cir –
cuitul cu frecvența de r ezonanță cea mai mare. Bateria de condensatoare C pentru
compensarea puterii reactive poate fi conectată numai dacă toate circuitele rezo –
nante ale circuitului sunt conectate.
Prezența filtrului absorbant la barele de alimentare ale consumatorului per –
turbator determină, însă, modificarea caracteristicii de frecvență a rețelei electrice
în acest punct. În acest fel, este posibilă apariția unor circuite rezonante, care să
conducă la suprasolicitarea componentelor schemei, în cazul în care frecvența de
rezonanță a circuitelor oscilante formate este egală cu frecvența unor armonice ge-
nerate de alți consumatori din rețea.
Analiza propagării perturbațiilor sub formă de a rmonice în rețeaua electri că,
rezolvarea problemelor de alocare a perturbațiilor, precum și dimens ionarea fil –
trelor de armonice conectate la barele de alimentare ale consumatorilor industriali,
surse de perturbații armonice, impun cunoașterea de către furnizorul de energie
electrică a caracteristicilor de frecvență ale rețelei elec trice de alimentare.
11.6.2 Aspecte practice la utilizarea filtrelor pasive absorbante
La funcționarea filtrelor pasive absorbante în rețeaua electrică este necesar să
se ia în considerație și următoarele aspecte:
Pentru a evita deteriorarea filtrul ui absorbant în cazul apariției unor surse
de armonice în rețeaua de alimentare (altele decât cele generate de consumatorul
perturbator analizat), circuitele rezonante ale filtrului trebuie dimensionate pentru
un curent electric armonic cu cel puțin 15 % mai mare decât cel al consu matorului
studiat;
Dacă frecvența f1 a fundamentalei nu se menține variază față de valoarea
de calcul ( f1 = 50 Hz), introducerea filtrelor elec trice în instalații are eficiență redu –
să, de oarece, odată cu modificarea fre cvenței ar monice i fundamentale, se schimbă
în mod co respunzător și frecvențele ar monicelor care nu vor mai corespunde frec –
vențelor pe baza cărora s -a efectuat calculul de di mensionare a circuitelor filtrului;
Regimul deformant 351
Utilizarea con densatoarelor în rețeaua electrică, în pre zența regimului ne si-
nusoidal, este ad misă numai î n schema fil trelor de ar monice , asigurându-se limita-
rea puterii fic tive (com plementare) sau în circuite cu condensatoare dezacordate.
Utilizarea efi cientă a in stalației de filtrare a armonice lor împreună cu in sta-
lația de compensare a puterii reactive impune existența unor informații corecte
privind mărimile electrice corespunzătoare consumatorului perturba tor; în acest
sens, o importanță deosebită o au sistemele de măsurare care trebuie să asigure date
corecte în prezența unor perturbații electromagnetice importante;
Condensatoarele Ch din circuit prezintă la borne o tensiune mai ridicată
decât tensiunea de la bare; acest aspect trebuie avut în ve dere atât la alegerea
condensatoarelor , cât și pe durata exploatării;
Plasarea filtrelor de armonice la barele generale de alimentare ale consu –
matorului determină ca , pe circuitul dintre sursa perturbatoare și barele de alimen –
tare, curentul electric să aibă o valoare mai ridicată (în mod corespunzător pier de-
rile de energie activă) față de lipsa filtrului, având în vedere că în prezența filtrului,
fiecare dintre circuitele rezonante prezintă o cale de impedanță foarte coborâtă
pentru armonice le cores punzătoare;
Utilizarea filtrelor de armonice în apropierea fiecărui receptor perturbator
este în general o soluție mai scumpă față de soluția centralizată, dar asigură redu ce-
rea pierderilor active în rețeaua industrială; adoptarea acestei soluții impu ne însă o
atenție deosebită la dimensionarea circuitelor rezonante având în vedere faptul că
unele mici abateri ale frecvenței de rezonanță la circuitele rezonante ale filtrelor
plasate în diferite puncte ale instalației , dar dimensionate pentru același rang armo –
nic, pot determina solicitări inadmisibile ale unora dintre circuitele rezonante; în
aceste condiții este necesar a acorda o atenție deosebită analizei reactanței dintre filtre;
Având în vedere posibilitatea utilizării în viitor a semnalelor d e frecvență
ridicată pentru comenzi utilizând conductoarele electrice ca suport fizic, este nece –
sar a realiza filtrul astfel încât aceste frecvențe să nu fie excesiv limitate;
Utilizarea filtrelor pasive este posibilă numai la consumatorii care funcțio –
nează în mod normal în regim inductiv; rezolvarea problem elor legate de prezența
armonice lor trebuie făcută în corelare cu analiza compensării puterii reactive pe
frecvența fundamentală; deconectarea circuitelor filtrului din motive legate de de –
pășirea necesarului de putere reactivă trebuie făcută cu multă atenție;
Costul filtrelor pasive este, în prezent, între 0,3 și 0,5 din costul unui filtru
activ echivalent;
Filtrele pasive cuprind un număr fix de circuite rezonante realizând li mita-
rea numai a acestor armonice și, în mod normal, nu pot fi exploatate parțial;
Dimensionarea unui filtru se face pentru o anumită configurație a sursei de
alimentare și o anumită sarcină și deci nu poate fi realizat ca module standard;
Factorul de calitate al circuitului filtrului, definit ca raportul dintre reactan –
ța și rezistența electrică ale circuitului determină , în mare măsură , eficiența filtrului
pentru o anumită frecvență;
11.6.3 Circuite de filtrare în scheme cu convertoare
Utilizarea largă a conv ertoarelor în instalațiile consumatorului și modul
specific de funcționare a acestor a fac necesară utilizarea filtrelor pentru limitarea
352 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
perturbațiilor determinate de funcționarea convertoarelor. Ca exemplu, în figura
11.7 este indicat efectul filtrelor in ductive din circuitul unui convertor de frecvență
care alimentează un motor asincron.
Prezența filtrelor inductive determină o importantă limitare a perturbațiilor
care apar, atât în rețeaua electrică de alimentare și care ar putea perturba funcțio –
narea celorlalți consumatori conectați la aceleași bare , precum și în curba curen –
tului electric absorbit de motorul de acționare.
Probleme asemănătoare apar la utilizarea motoarelor de tensiune continuă
pentru acționar e (fig. 11 .8). Filtrul F asigură , în speci al, limitarea perturbațiilor de
înaltă frecvență determinate de funcționarea variatorului de tensiune continuă, iar
filtrul inductiv Lr determină limitarea armonice lor în curba curentului electric ir
absorbit din rețeaua electrică de alimentare.
Bobina Lm are rol de filtru pentru limitarea atât a armonice lor care apar în
curba curentului electric la ieșirea variatorului de tensiune continuă , precum și a
armonice lor care apar în curba curentului electric absorbit din rețeaua electrică de
alimentare.
11.6. 4 Filtre active
Limitarea perturbațiilor determinate de mărimile distorsionate datorate re –
ceptoarelor cu caracteristică neliniară , odată cu dezvoltarea electronicii de putere
și a sistemelor informatice cu mare viteză de calcul , a fost posibilă cu ajut orul
filtrelor active care urmăresc corecția, în domeniul timp, a formei curbelor mări –
milor distorsionate.
Deși, în prezent , costurile acestor filtre sunt încă relativ ridicate (de 2 până la
3 ori costul unui filtru pasiv echivalent), eficiența și versat ilitatea lor, le fac din ce
în ce mai prezente în aplicațiile industriale.
Filtrele active, numite în prezent și condiționere de rețea ( active harmonic
conditioners AHC), sunt convertoare statice de putere care pot îndeplini diverse
funcțiuni, acestea depi nzând , fie de modul lor de comandă (comandate în curent
electric sau în tensiune) , fie de modul lor de conectare (serie sau paralel).
a) Filtrul activ conectat în paralel cu receptorul neliniar
Un filtru activ paralel, comandat de obicei în curent electri c (filtru activ de
curent electric – FAC) are rolul de a asigura o formă practic sinusoidală a curen –
tului electric absor bit din rețeaua electrică de alimentare, independentă de forma
curentului electric pre luat de consumatorul neliniar [11.7]. De asemen ea, acest
montaj poate asigura și reali zarea unui defazaj practic nul între tensiunea de
alimentare și curentul electric absorbit din rețeaua electrică, independent de
defajazul de la bor nele consuma torului, asigurând în acest fel și corecția factoru lui
de putere.
În figura 11.9 este prezentat modul de funcționare al unui filtru de curent
electric pentru cazul simplu al unui receptor de tip redresor, cu bo bină de valoare
relativ ridicată pe partea de curent continuu, astfel încât în circui tul de a limentare
rezultă un curent electric de formă drepunghiulară. Informațiile privind forma
curentului electric irA în circuitul receptorului neliniar sunt preluate prin interme –
Regimul deformant 353
diul transformatoarelor de măsurare TC. Blocul de calcul asigură analiza
semnalel or achiziționate și comandă blocul de putere al filtrului pentru a sintetiza
un semnal ifA care se suprapune curentului electric distorsionat, pentru a realiza un
curent electric practic sinusoidal iA absorbit din rețeaua electrică de alimentare.
20 kV; 50 Hz 20/0,4 kV
im Lf
Cf Lm
Fig. 11 .7 Influența filtrelor asupra formei tensiunilor și a curenților electrici în circuitul unui
convertor de frecvență:
a) schema convertorului de frecvență; b) tensiunea la barele de alimentare în lipsa bobinei Lr;
c) tensiunea la barele de alimentare în prezența bobinei Lr; d) curba curentului electric
absorbit din rețeaua de alimentare în lipsa bobinei Lf ; e) curba curentului electric absorbit din
rețeaua de alimentare în prezența bobinei Lf ; e) curba curentului electric la ieșirea
convertorului în lipsa bobinei Lm ; f) curba curentului electric la ieșirea convertorului în
prezența bobinei Lm . M
3 ~ Redresor Filtru Invertor
Lr
ir ur
ur
t ur
t a)
b) c)
ir
ur
t t
d) e) ur
ir ir
ur ur
ir
ir
ur
t t
e) f) ir
ur ir
354 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
20 kV; 50 Hz
20/0,4 kV Lm
Lr
ir ur
F M
= Redresor
comandat
Fig. 11 .8 Circuite de filtrare în schema de alimentare a unui motor de
tensiune continuă prin intermediul unui variator de tensiune continuă.
u,i
ID irA uA
/6+ t 2
ifA iA
t 2 ifA = irA – ir
Receptor
neliniar A B C iA irA
Filtru
activ de
curent ifA
Bloc de
calcul TC
a) b)
Fig. 11 .9 Schema de principiu a unui filtru activ de curent electric a)
și variația curenților electrici în circuit b).
Curentul electric irA absorbit de redresorul trifazat are o formă nesinu soidală,
cuprinzând armonica fundamentală irA1 și reziduul deformant irAd
21 1
hrAh rA rAd rA rA i i i i i
, (11.28)
Armonica fundamentală irA1 este defazată față de tensiunea de fază, având o
compo nentă activă irA1a (în fază cu tensiunea de alimentare) și o componentă reac –
tivă irA1r (defazată cu /2 față de tensiunea de fază)
irA1 = irA1a + irA1r . (11.29)
Filtrul activ trebuie să determine un curent electric ifA (fig. 11 .9 b)) care să
permită preluarea din rețeaua electrică a unui curent electric sinusoidal iA cuprin –
zând numai componenta activă irA1a a armonice i fundamentale irA1 a curen tului
electric irA determinat de receptorul deformant
21
hrAh rrA rA A fA i i ii i
. (11.30)
Regimul deformant 355
Având în vedere posibilitatea corectării formei curbei de curent electric și
realizarea formei corectate , în fază cu tensiunea aplicată, acest tip de filtru este
întâlnit și sub denumire a de corector de factor de putere PFC ( Power factor
corrector ) sau condiționer de rețea, cu funcția de limitare a regimului nesinusoidal
și de compensare a puterii reactive.
Filtrul activ de curent electric are efect numai asupra perturbațiilor din aval
și nu are nici un efect asupra perturbațiilor din restul rețelei, astfel încât la între ru-
perea receptorului controlat, filtrul nu are nici un rol.
b) Filtrul activ conectat în serie cu receptorul neliniar
Filtrele active conectate în serie cu recepto rul neliniar (filtre active de ten siu-
ne, FAT) determină controlul tensiunii în punctul de alimentare al r ecepto rului ne –
liniar (fig. 11 .10).
Filtrul activ de tensiune este utilizat , în
special , în cazul în care receptorul deformant
este conectat la u n sistem de bare de alimenta –
re, caracterizate de un curent electric de scurt –
circuit de valoare relativ redus ă. În acest caz,
prezența receptorului defor mant poate conduce
la o puternică distorsiune a tensiunii la barele de alimentare, de la care pot fi
alimentați și alți consumatori, care vor fi astfel afectați de distor siunea curbei de
tensiune. De asemenea, filtrul activ de tensiune poate fi utilizat în cazurile în care
la barele de alimentare tensiunea este puternic distorsionată, iar receptorul ali men-
tat impune utilizarea unei tensiuni sinusoidale.
Filtrul activ determină o tensiune uf astfel încât la bornele receptorului
rezultă ten siunea ur :
ur = u + uf , (11.31)
în care u este tensiunea la barele de alimentare.
În tabelul 11 .4 sunt pre zentate unele caracteristici ale filtrelor active de
curent comparativ cu cele ale filtrelor pasive.
11.6.5 Filtre hibride
Costurile încă ridicate ale filtrelor active și prezența în curba curentului
electric absorbi t de consumatori a unor armonice de v aloarea semnificativă deter –
mină ca în unele situații să fie avantajoasă utilizarea unei soluții hibride în care
pentru principalele armonice (de exemplu 5, 7, 11 și 13) să fie montat un filtru
pasiv, cu circuitele rezonante corespunzătoare, iar în continu are forma curentului
electric să fie corectată cu ajutorul unui filtru activ.
Stabilirea locului în care este amplasat filtrul se face în funcție de configu ra-
ția rețelei industriale și de nivelul distorsiunii curbelor de curent electric. În cazul
unor di stanțe mari între receptoarele perturbatoare de putere mare, este preferată
compensarea locală pentru a evita circulația curenților distorsionați pe distanțe
mari, cu creșterea corespunzătoare a pierderilor active. În cazul unui mare număr F N
FAT u uf
ur Receptor
neliniar
Fig. 11 .10 Conectarea serie a
filtrului activ de tensiune.
356 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
de receptoare ne liniare, aflate la distanțe relativ reduse, este rațională conectarea
filtrului la barele de alimentare a grupurilor de receptoare.
Tabelul 11 .4
Comparație între caracteristicile filtrelor pasive și a celor active
Caracteristici Filtru activ Filtru pas iv
Controlul formei curbei
distorsionate Control în domeniul timp Control în domeniul
frecvență (circuite
specializate pentru fiecare
armonică)
Influența variațiilor de
frecvență Fără efect Reducerea eficienției
filtrului
Influența variațiilor în
imped antele schemei
rețelei electrice
Fără efect
Riscul apariției rezonanței
Influența creșterii
distorsiunii curbei Fără risc de supraîncărcare dar
cu scăderea eficienței filtrului Risc de supraîncărcare a
circuitelor filtrului
Influența conectării unor
echipamente suplimentare Fără risc de supraîncărcare dar
cu scăderea eficienței filtrului Poate fi necesară înlocuirea
unor circuite ale filtrului
Modificarea frecvenței
fundamentale Este posibilă prin modificarea
setărilor Nu este posibilă decât prin
înlocuirea elementelor
circuitelor
Controlul distorsiunii
armonice Numai pentru perturbații din
aval de filtru Pentru toate perturbațiile
armonice din rețea.
Dimensiuni Reduse Relativ mari
Greutate Mare Redusă
Costuri Relativ mari De 2 3 ori mai r eduse ca
un filtru activ echivalent
11.7 Mijloace tehnico -organizatorice pentru limitarea
nivelului de distorsiune armonică
Principalele soluții care pot fi adoptate pentru reducerea distorsiunii armo –
nice și care ar pu tea asigura încadrarea în limitele admise de distorsiune, fără a fi
necesară utilizarea filtrelor constau în următoarele:
conectarea , imediat după redresor, în serie cu condensatorul de filtrare de
valoare mare, a unei bobine care determină creșterea du ratei de conducție a redre –
sorului și limitarea distorsiunii curentului electric absorbit;
reducerea impedanței sistemului de alimentare prin alegerea unei scheme
cu un curent electric de scurtcircuit mai mare ;
agregarea sarcinilor generatoare de arm onice, astfel încât unele armonice
să se compenseze reciproc;
alegerea corespunzătoare a grupei de conexiuni a transformatoarelor
pentru a asigura limitarea circulației armonicelor multiplu de trei;
Regimul deformant 357
alegerea corespunzătoare a schemei de redresare ast fel încât să se realizeze
un mare număr de pulsuri;
achiziția echipamentelor cu absorbție de curent sinusoidal.
11.8 Alocarea nivelului de perturbații
Distorsiunea armonică în nodurile rețelei electrice rezultă prin sumarea per –
turbațiilor armonic e determinate de diferitele surse de emisie, atât din rețeaua din
aval, cât și din cea din amonte. În acest sens, apare necesar controlul tuturor sur –
selor perturbatoare care sunt conectate în fiecare nod al rețelei și stabilirea , pentru
fiecare sursă de p erturbații , a unui nivel admis care să permită ca , prin sumare , să
nu se depășească valorile limită acceptate prin normative.
Alocarea nivelului de perturbație , pentru fiecare dintre sursele de perturbație
conectate la barele de alimentare , trebuie să f ie una dintre preocupările importante
ale furnizorului de energie electrică pentru a asigura , tuturor consumatorilor co –
nectați la aceste bare , nivelul de calitate impus prin standardele de performanță.
Rezolvarea problemei de alocarea a perturbațiilor se face în trei etape (stadii) .
În prima etapă (stadiul 1) [11.8] , racordarea micilor consumatori sau utili –
zatori, caracterizați de o pondere redusă a sarcinii perturbatoare , poate fi aprobată,
fără o evaluare detali ată a caracteristicilor emisiei și a ră spunsului rețelei de ali –
mentare, având în vedere că unii producători de echipamente de JT au adoptat mă –
surile necesare pentru limitarea perturbațiilor (conform CEI 61000 32 pentru
echipamente cu curenți 16 A/fază, respectiv CEI 61000 34 pentru echip amente
cu curenți > 16 A/fază).
Dacă este îndeplinită condiția:
Sj / Ssc 0,2%, (11.32)
în care Sj este puterea contractată de utilizatorul j, iar Ssc puterea de scurt circuit în
punctul comun de conectare, se poate racorda orice sarcină pertur batoare în
interiorul instalațiilor utilizatorului, fără altă analiză.
În stadiul 2, evaluarea consumatorului perturbator se face în corelare cu ca –
racteristicile efective ale rețelei electrice de alimentare. În acest stadiu, nivelul de
planificare a pert urbației de tensiune, corespunzător rețelei respective , este împărțit
între utilizatori, în funcție de puterea totală disponibilă a rețelei de alimentare și
proporțional cu puterea con tractată a fiecărui consumator, racordat la această rețea.
Această regulă asigură în cadrarea nivelului de perturbație, datorat emisiilor tuturor
instalațiilor utilizato rilor care sunt racordați la rețea, în nivelul de planificare.
În stadiul 3 de analiză, se studiază posibilitatea acceptării unor niveluri de
emisie mai ridi cate, cu titlu de excepțional și temporar. Trebuie notat că numeroși
utilizatori, care nu au sarcini d eformante mari, nu emit armonice într-un mod sem –
nificativ. În afară de aceasta, o parte a puterii disponibile a rețelei poate să nu fie
utilizată un tim p îndelungat.
Stadiul 3 este important pentru amânarea unor investiții pentru consumatorii
care nu reușesc să se încadreze în valorile alocate în stadiul 2 . Acest lucru semni –
358 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
fică faptul că trebuie studiate atent condițiile de racordare, ținând seama de n ivelul
perturbator preexistent și de contri buția așteptată de la instalația considerată, fără a
uita că vor fi probabil necesare dis poziții, prin care să fie lăsată posibilitatea unei
eventuale extinderi a instalației de filtrare.
11.9 Concluzii
Creșterea ponderii receptoarelor cu caracteristică neliniară în rețelele
electrice impune adoptarea unor măsuri eficiente pentru limitarea distorsiunii
curbelor de tensiune și de curent electric.
În prezent , există soluții tehnice eficiente pentru limitarea nivelului de distor –
siune la o valoare acceptată prin utilizarea de echipamente specializate de filtrare.
Înainte de a lua decizia montării de filtre pentru limitarea nivelului de dis tor-
siune este necesar să se facă o analiză atentă a soluțiilor privind reducerea distor –
siunii chiar la nivelul echipamentului perturbator. Numai dacă aceste măsuri nu
sunt efi ciente sau costurile sunt prea ridicate , se adoptă soluția utilizării de filtre.
Modernizarea receptoarelor de energie electrică, în primul rând pri n posi bi-
litatea reglării consumului de energie electrică în funcție de proces, a determinat
utilizarea largă a semiconductoarelor de putere și creșterea astfel, a surselor de re –
gim nesinusoidal. Atât marii consumatori, industria de aluminiu, industria m etalur –
gică (cu un aport deosebit datorită dezvoltării în viitor a cuptoarelor cu arc electric
alimentate la tensiune continuă), industria prelucrătoare, dar și micii consumatori,
consumatorii casnici, consumatorii din sectorul terțiar, reprezintă în prez ent surse
importante de armonice și interamonice . Limitarea acestora, într -o zonă cât mai
apropiată de sursa perturbatoare, este una dintre condițiile reducerii pierderilor de
energie activă în circuitele parcurse de curenții electrici nesinusoidali dar și a altor
efecte datorate propagării curenților electrici armonici.
Utilizarea unui anumit filtru necesită o analiză atentă a eficienței tuturor ti –
purilor de filtre , pentru problema concretă care trebuie rezolvată și pentru confi gu-
rația reală a rețelei e lectrice industriale.
Filtrele utilizate în rețeaua electrică pot să asigure limitarea unora dintre per –
turbațiile introduse în rețeaua electrică de către consumatori. Principalele aspecte
care pot fi rezolvate cu ajutorul filtrelor sunt:
rezonanțe î n rețeaua electrică;
limitarea pierderilor în rețeaua furnizorului dar și în rețeaua industrială prin
limitarea circulației curenților armonici;
îmbunătătirea factorului de putere al consumatorilor perturbatori.
Condițiile impuse în prezent privind limitarea pierderilor în rețeaua electrică,
asigurarea calității energiei electrice și monitorizarea nivelului de emisii
perturbatoare determină ca problemele legate de limitarea perturbațiilor să devină
una dintre preocupările importante ale spec ialiștil or electroenergeticieni
Regimul deformant 359
Bibliografie
[11.1] Arie A. ș.a., Poluarea cu armonici a sistemelor electroenergetice funcționând în
regim permanent simetric , Editura Academiei Române, București, 1994.
[11.2] Golovanov Carmen, Albu Mihaela, Probleme mod erne de măsurare în
electroenergetică , Editura tehnică, București, 2000.
[11.3] Golovanov N., Postolache P., Toader C., Utilizarea și calitatea energiei electrice,
Editura AGIR, București, 2008.
[11.4] *** Electromagnetic compatibility (EMC ) – Part 4-7: Testing and measurement
techniques – Guide on harmonics and interharmonics measurements and
instrumentation , for power supply systems and equipment connected thereto , IEC
61000 -4-7/2002
[11.5] *** Safety requirements for electrical equipment for measu rement , control , and
laboratory use Part 1: General requirements , IEC 61010 -1/2001
[11.6] *** Electromagnetic compatibility (EMC ) – Part 4-30: Testing and measurement
techniques – Power quality measurement methods , IEC 61000 -4-30.
[11.7] Fodor D. ș.a ., Convertoare statice de putere speciale , Editura Printech, București,
1977.
[11.8] *** Electromagnetic compatibility (EMC ) Part 3: Limits Section 6: Assessment
of emission limits for distorting loads in MV and HV power systems Basic EMC
publicati on IEC 61000 36/2005.
12
DERANJAMENTE ÎN INSTALAȚII
ELECTRICE ȘI ELECTROTEHNOLOGICE
ÎN INTREPRIDERI . CAUZE, CONSECINȚE
ȘI ÎNLĂTURAREA LOR
12.1 Aspecte generale
Alim entarea neîntreruptă cu energie electrică este una dintre condițiile
importante în asigurarea func ționării eficiente a instalațiilor electrice ale între –
prinderii. Cunoașterea disponibilității sistemului de alimentare cu energie electrică,
dar și a cauzelor care conduc la întreruperi în alimentarea energiei electrice sau la
degradarea calității acestei a, datorate unor evenimente din afara sau din interiorul
întreprinderii, permite elaborarea unor măsuri efciente pentru limitarea daunelor.
Pe baza informațiilor obținute, pot să fie adoptate decizii p rivind cele mai bune
soluții pentru cazul specific analizat.
Acceptarea disponibilității naturale a sistemului implică acceptarea daunelor
care pot să apară în funcționare normală. În cazul în care disponibilitatea naturală
conduce la daune care nu se justifică economic, este necesară adopt area unor
măsuri care includ investiții, pentru creșterea disponibilităț ii sistemu lui de alimen –
tare cu energie electrică. Măsurile adoptate trebuie să includă atât intervenții în
sistemul de alimentare cu energie electrică, cât și la receptoarele de energie
electrică și ma șinile de lucru antrenate de acestea.
Un pachet de măsuri adecvat, stabilit pe baza datelor reale din întreprindere,
permite creșterea eficienței întregii întreprinderi și asigurarea unor randamente
corespunzătoare la toate echipamentele alimentate cu ene rgie electrică.
De cele mai multe ori, evenimentele din sistemul exterior și din cel interior,
au un caracter aleatoriu, astfel încât calculele efectuate utilizează mărimi aleatorii,
iar rezultatele obținute au un anumit nivel de încredere.
380 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
12.2 Dispon ibilitatea
12.2.1 Disponibilitatea energiei electrice
Disponibilitatea energiei electrice este reprezentată de proporția de timp în
care siste mul este capabil să funcționeze; este unul din parametrii importanți în
determinarea calității alimentării cu e nergie electrică. Valorile absolute ale
disponibilității cerute sau dorite sunt foarte mari . De exemplu, un utilizator casnic
ar putea dori o disponibilitate de 99,98 %, în timp ce un consumator comercial ar
putea cere valori chiar mai ma ri de 99,996 %. As tfel de niveluri înalte de
disponibilitate nu se realizează în mod natural sau din întâmplare; ele sunt rezul –
tatul unei bune proiec tări și proceduri de mentenanță.
Cu excepția cazului în care proiectantul ia măsuri pentru a evita acest fapt,
disponibilita tea se reduce potențial cu fiecare conexiune, dispozitiv de protecție,
cablu etc ., de-a lungul instalației, astfel încât ea este maximă la punctul comun de
cuplare (PCC) și minimă la bornele echipamentului.
În general, disponibilitatea la nivelul PCC este de circa 99,98 %, valoare
mare asigurată de redundanța ridicată a rețelei electrice de alimentare prin faptul că
există mai multe căi între consumator și nodurile generatoare, fiecare cale fiind
monitorizată permanent și întreținută, astfel încât să se asi gure ce mai înaltă
disponibilitate , justificată economic . Dacă pe o anumită cale apare un defect,
probabilitatea de a avea o cale alternativă este foarte mare astfel încât nu se
produce întreruperea sau, în cel mai rău caz, se produce o întrerupere de scur tă
durată a alimentării cu energie electrică a consumatorului. Din acest punct de
vedere, instalațiilor folosind conexiuni singulare sau transformatoare , fără rezerve
sau pr evăzute cu conexiuni comutabile, asigură disponibilitatea cea mai redusă.
Dacă se a sigură o cale de rezervă , rețeaua electrică poate asigura continuitatea în
alimentare, chiar în cazul defectării unei componente sau conexiuni – ea este
rezilientă în timp ce instalația prezintă numeroase puncte particulare a căror
defectare poate produc e întreruperea alimentării.
12.2.2 Disponibilitatea și durata medie de reparare ( Mean time
to repair – MTTR)
În prezent, utilizatorii sunt mai mult interesați de disponibilitate decât de
fiabilitate. Disponibilitatea poate fi calculată ca raportul d intre durata de funcțio –
nare efectivă și durata totală , egală cu suma dintre durata de funcționare și cea de
reparare. Durata medie a timpului necesar pentru reparare se numește durata medie
de reparare, fiind notată MTTR (în limba română: media timpului d e reparare –
MTR) (anexa 12.1) .
Valoarea MTTR este specificată de către producător în condiții ideale
considerând, de exemplu, că locul defectului este evident, că este disponibil nivelul
de competență cerut pentru identific area lui, că rezervele adecvate și procedurile de
reparare sunt îndeplinite și că, odată reparat, sistemul poate fi încercat și repus în
funcțiune.
Măsurarea consumului de energie electrică 381
În practică , defecțiunile apar în moment e neprevizibile . O valoare a MTTR
de douăzeci de minute oferă avantaje reduse dacă inginerul trebui e să se deplaseze
pe teren pentru a identifica problema și apoi trebuie să procure componentele de la
un depozit sau, și mai rău, de la un furnizor. După reparare, sistemul trebuie să fie
încercat și adus la parametri i necesari, înainte de a începe să func ționeze din nou.
Fiecare din acești pași poate să ia mai mult timp decât cel necesar reparării propriu
zise. Anumite întârzieri pot să fie eliminate – anumite rezerve critice pot fi păstrate
local, echipa proprie poate fi antrenată pentru a -și dezvolta abi litățile necesare
dar acești pași trebuie să fie implementați cu mult timp înainte și cu anumite costuri
proprii acestui proces.
Luând e xemplul reparării unui echipament electronic la care, pentru înlo –
cuirea unei plăci cu circuite imprimate ar fi necesa re, de exemplu , 30 minute, fur –
nizorul va evalua o MTTR de 0,5 ore. Dar utilizatorul poate aprecia această valoare
în mod diferit. Aparatul se defectează atunci când sectorul de reparații este în chis.
El trebuie să fie preluat , să i se identifice defectul și apoi părțile care trebuie înlo –
cuite. După ce evaluarea este realizată și aprobată, componenta este procurată și –
abia acum începe contorizarea celor 30 de minute – înlocuită și încercată. În ziua
următoare aparatul este returnat utilizatorului, care a avut astfel experiența unei
valori MTTR a cărei durată este, probabil, o săptămână. Dacă durata medie între
defecte MTBF (Mean Time Between Failures )este suficient de mare, utilizatorul
poate fi mulțumit, însă dacă MTBF este scurtă s -ar putea să dor ească s ă dispună de
un echipament redundant. Adesea, reparația constă în înlocuirea unui subansamblu
cu unul nou sau cu altul, în prealabil reparat. Atunci când se montează un sub –
ansamblu care, el însuși, a fost reparat trebuie să nu se uite faptul că, în acesta ,
numai câteva componente sunt noi, restul componentelor fiind deja vechi.
În mod normal , valoarea MTTR ar trebui să includă, de asemenea, și timpul
de întreținere, cerut de mentenanța preventivă, pentru operații ca întreținerea gru –
pului generator, înloc uirea bateriilor sau curățirea filtrelor ventilatoare lor unor
surse neîntreruptibile UPS (Uninterruptible Power Supplies ) etc. Momentul efectu –
ării operației de întreținere , necesar asigurării mente nanței preventive , poate fi ,
însă, planificat astfel încâ t întreruperea poate fi minimizată dar, adesea, nu poate fi
eliminată.
Maximizarea intervalului de timp în care sistemul este d isponibil implică un
compromis î ntre fiabilitatea componentei și timpul de reparație. De exemplu,
elementele de conectare sunt , în mod obișnuit, mai puțin fiabile decât conductoa –
rele din cauza intensității de defectare relativ ridicate a conexiunilor. Pe de altă
parte, durata de reparare a elementelor de conectare este mult mai mică decât cea a
conductoarelor deoarece ele pot fi î nlocuite relativ simplu de către muncitori care
nu necesită o înaltă calificare. Soluția adoptată depinde de valorile absolute ale
MTBF și de valoarea adevărată a MTTR, ținând pe deplin seama de dotările și de
calificarea existente local.
Disponibilitatea sistemului este evaluată simplu împărțind valoarea MTBF la
valoarea MTBF plus valoarea adevărată a MTTR care include și elementele deja
menționate. Valori optimiste ale disponibilității, care adesea sunt impres ionante,
trebuie să fie utilizate cu deoseb ită grijă. O aparent excelentă disponibilitate de
0,9999 înseamnă o indisponibilitate de circa o oră pe an – un nivel complet
382 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
inacceptabil pentru multe activități. Realizarea în practică a unor performanțe mai
bune decât acestea – numai prin creșterea fiab ilității – este destul de dificil ă;
valorile MTBF , fiind mărimi statistice , nu pot fi considerate certe, în orice situație
particulară, iar valorile MTTR sunt, în mod obișnuit , optimiste deoarece sunt
evaluate în ipoteza unei atmosfere ipotetice în mediul de lucru. În plus, intervine
complexitatea sistemelor moderne, ca de exemplu rețelele comerciale de
calculatoare și controlul proceselor industriale.
12.2.3 Efectul incidentelor asupra disponibilității
în instalațiile electrice
În funcție de instalația unde apar, de efectul asupra funcționării acesteia și a
ansamblului instalațiilor de distribuție a energiei electrice, evenimentele acciden –
tale care se înregistrează și se analizează se clasifică astfel:
incidente în instalațiile din rețele e lectrice de distribuție (> 1 kV), cu sau
fără deteriorări de echipamente;
deteriorări de echipamente din instalațiile aparținând rețelelor electrice de
distribuție (> 1 kV);
deranjamente în rețelele electrice de joasă tensiune (
1 kV);
defecțiuni tehnice;
întreruperi de scurtă durată ca urmare a funcționării automatizărilor.
Analiz a și monitorizarea evenimentelor accidentale asigură :
cunoașterea gradului de siguranță în funcționare a instalațiilor de distri bu-
ție a energiei electrice;
cunoașterea modului de satisfacere a consumatorilor de energie electrică
sub aspectul continuității în alimentare și a asigurării parametrilor calitativi;
cunoașterea gradului de pregătire a personalului de exploatare și a modului
cum se ef ectuează lucrările de întreținere (revizii, reparații, încercări profilactice);
stabilirea măsurilor cu caracter tehnic și/sau economic pentru creșterea fia –
bilității echipamentelor și schemelor tehnologice, îmbunătățirea activității de ex –
ploatare, în treținere, repa rații, proiectare, execuție și dezvoltare a sistemului ener –
getic industrial , precum și pentru creșterea nivelului de pregătire a persona lului;
stabilirea unor măsuri care să conducă, odată cu creșterea siguranței în
funcționare, la dimin uarea costurilor de exploatare -întreținere.
Datele înregistrate în evidența evenimentelor accidentale și rezultatele
prelucrărilor acestor date constituie principala sursă de informații pentru:
efectuarea unor studii privind siguranța sistemului electroe nergetic
industrial, în ansamblu sau a unor zone, studii privind fiabilitatea instalațiilor și
echipamentelor;
stabilirea punctelor slabe din instalații și a măsurilor pentru eliminarea
acestora;
planificarea lucrărilor de reparații și alocarea resurse lor necesare;
întocmirea rapoartelor solicitate de Autoritatea de Reglementare, de
Ministerul de resort etc.
Măsurarea consumului de energie electrică 383
12.3 Fiabilitate
Tendința actuală în domeniul fiabilității este către implementarea indic a-
torilor de fiabilitate în algoritme de calcul al mana gementului riscului, algoritme
care să fie capabile să trateze operatorii drept variabile de intrare în luarea
deciziilor în ceea ce privește planificarea și operarea sistemului.
Deoarece ambele activități, ale furnizorilor și consumatorilor , sunt orientat e
pe profit, este important pentru furnizor să includă , în metodele de analiză ale ma –
nagementului riscului , incertitudinea referitoare la opțiunile con sumatorului. Un
aspect crucial îl constituie echilibrul între nevoia de redu cere a costurilor și păst rare
a mentenanței la un nivel satisfăcător al fia bilității. Cele mai multe tehnici c are sunt
folosite în prezent pentru analiza fiabilității consideră rata de defect are constantă
pentru componentele siste mului. Această ipoteză corespunde strict (și m atematic)
prezumției con form căreia toate componentele sistemului operează în cele mai
bune con diții, adică în partea inf erioară a binecunoscutei curbe „ cada de baie” ce
reprezintă evoluția în timp a ratei de defect are (intensitate de defectare) .
Unele măsuri, îndreptate către reducerea costurilor de op erare, precum redu –
cerea frecvenței mentenanței sau amânarea înlocuirii compo nentelor, pot cauza o
creștere a vârstei componentelor și î n particular, o creștere a vitezei lor de defecta –
re. Astfel, fiabi litatea sistemului se înrăută țește și poate depăși limitele de perfor –
manță impuse prin reglementări. Riscul este de înrăutățire a fiabilității din cauza
intenției de a econo misi bani pe termen scurt.
Odată pornit, procesul de înrăutățire a fiabilități i poate fi foarte dificil de
oprit, deoarece necesit ă investiții importante . Este deci necesară o plani ficare atentă
a invest ițiilor pentru a păstra funcționarea sistemului în limite acceptabile. Din
punct de vedere tehnic, manevrarea ratelor de defectar e non -constante prezintă im –
portanță în analiza fiabilității , în care sunt incluse probleme de analiză a riscului
sau programe de evaluare a riscului.
Fiabilitatea este evaluată în termeni de durată medie de funcționare până la
apariția defectului ( Mean T ime To Failure – MTTF).
Valoarea MTTF este exprimată în ore și reprezintă timpul mediu până la
defectare pentru fiecare membru individual al unei mari populații de părți de
producție standard. Măsurarea fiabilității este dificilă și necesită timp. F iabili tatea
reprezintă un parametru statistic evaluat pe baza unei combinații a experienței
referitoare la componente similare și a unor teste de scurtă durată efectuate asupra
unui mare număr de componente studi ate. Pe măsură ce produsele se „maturizează"
și se acumulează date pe termen lung, încrederea în valorile MTTF crește.
Modelul de fiabilitate al sistemului electric industrial se bazează pe existența
a două stări ale sistemului: starea de funcționare (F) și starea de defect (D).
Tranziția din starea F în starea D se realizează cu intensitatea de defectare λ [1/h],
iar cea din starea D în starea F cu intensitatea de reparare μ [1/h]. Raportul 1 /λ
reprezintă valoarea medie a timpului de defectare MTTF, iar 1/μ reprezintă
valoarea medie a timpului de reparare MTTR.
Pentru un si stem industrial cu K sarcini, analiza fiabilității ia în consi derare
două tipuri de indicatori (locali și globali) [ 12.1]:
Indicatori locali , definiți pentru fiecare punct de sarcină k =1,…, K; sunt
calculați considerându -se frecvența și durata stărilor î n care punctul k nu este
384 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
alimentat. Considerând că puterea Pk este transmisă la punctul k în funcționare
normală , sunt definiți următorii indicatori locali [ 12.2]:
fk – frecvența întreruperilor;
dk – durata întreruperilor;
PkNS = fkPk – puterea nefurnizată;
EkNS = d kPk – energia nefurnizată;
dkNS = dk /fk – durata medie a întreruperilor.
Indicatori globali , definiți pentru întreaga rețea electrică, repre zentând
fiabilitatea întregului sistem.
Dintre parametri i luați î n considerare , unii sunt constanți și determi nistici
(de exemplu, puterea inst alată a sarcinii), sau constanți , dar asociați unei distribuții
exponențiale ( de exemplu, rata defectării) sau probabilistic i (tabelul 12. 1).
Tabel 12.1
Natura variabilelor într-un sistem energetic industrial
Constant ă Probabilistic ă
Puterea instalată a sarcinii ( P)
Rata defectării Failure Rate ( λ)
Timpul de repunere în funcțiune ( τ)
Numărul de apariții ale defectului ( n)
În calculele efectuate s e consideră f aptul că defectele sunt evenimente cu o
probabilitate neglijabilă a apariției simultane și, deci, pot fi acceptate ca
evenimente aleatoare independente.
Numărul aparițiilor unui defect într -un interval de timp specificat este
reprez entat de valoarea alea toare (RV Random Value ) n, cu o distribuție Poisson
T
fN
f
f fff
eNT
N nλ
!λ
} Pr{ (12.1)
în care λ f este rata de defect; T durata perioadei de analiză; Nf un număr
deterministic al aparițiilor defectului f.
Pentru această analiză a fost aleasă distribuț ia Poisson deoarece ea simulează
cel mai bine producerea evenimentelor rare. Se consideră că defectele sunt
evenimente rare.
În calcule se consideră repunerea în funcțiune multi -fază, cu timp de
repunere în funcțiune pentru fiecare fază, independent de def ect și de faza de
repunere în serviciu a aceluiași defect.
Valoarea aleatorie τ este folosit ă pentru a defini timpul de repunere î n serviciu .
În mod normal, nu se știe , a prori , care este tipul de distribuție care
modelează comportamentul acestor mărimi a leatorii .
12.4 Defectarea
12.4.1 Defecte în rețeaua electrică industrială
Defectarea poate să apară ca un eveniment total, brusc și neprevăzut, ca de
exemplu, arderea unei componente electronice într -un circuit vital, sau numai ca o
Măsurarea consumului de energie electrică 385
degradare, fiind treptată și parțială , ca în cazul unei componente electronice care
iese, în timp, din domeniul de funcționare specificat.
În cazul unei surse de energie electrică, întreruperea completă poate fi
considerată un defect total , în timp ce o abatere de tensiu ne sau de frecvență ar
putea fi privită ca degradare a calității energiei electrice .
Un defect este considerat primar dacă nu este produs d e un eveniment care
are loc în altă parte a sistemului și secundar dacă el este rezultatul unui alt eveni –
ment din s istem. De exemplu, arderea , în funcționarea normală , a unei componente
electronice poate fi un defect primar, iar arderea componentei în urma unei
supratensiuni , generată de evenimente din altă parte a rețelei electrice, poate
reprezenta un defect secundar . Fiabilitatea oferă informații privind numai defectele
primare.
Anumite defecte pot fi evidente, ca de exemplu, explozia unui condensator
într-un circuit electronic , dar în alte cazuri poate să fie mult mai dificil să se pună
în evidență apariția unui def ect. De exemplu, un circuit electronic complex, care
trebuie să realizeze o serie de condiții tehnice detaliate, este defect dacă orice para –
metru iese din limitele specificate, deși aceasta poate să nu fie evident pentru uti –
lizator. Unui circuit electron ic de interfață i se poate cere să aibă o anumită imuni –
tate la zgomotul de tensiune; deficiența în menținerea acestei imunități s -ar putea să
nu fie observată în condiții de absență a zgomotului, dar simptomele ar deveni evi –
dente în condiții mai grele de funcționare . În asemenea situații defectele și erorile
pot să fie alea torii fiind , probabil , dificil să fie localizată cauza în vederea unei
remedieri rapide.
Echipamentele electrice pot fi perturbate din cauze multiple. Cele mai im –
portante ar putea f i:
erori umane :
vicii de proiectare ;
execuții incorecte ;
greșeli de exploatare
echipamente cu fiabilitate scăzută :
manifestări ale naturii (de exemplu descărcări electrice);
echipamente perturbatoare :
surse de tensiuni perturbatoare ;
surse de curenți electrici perturbatori ;
surse de câmpuri electrice sau magnetice perturbatoare ;
calitatea necorespunzătoare a energiei electrice ;
integritatea echipamentelor care asigură transferul de informații privind
mărimile elctrice.
12.4.2 Tipuri de defecțiuni
12.4.2.1 Defecțiuni determinate de coroziune
O grupă împortantă de defec tări este cauzată de fenomenul de coroziune.
Formele de manifestare a coroziunii sunt:
386 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
coroziun ea de repaus;
coroziu nea punctiformă (în profunzime);
coroziunea sub tensiune,
coroziunea sub efort oscilant.
Coroziunea de repaus și coroziunea punctiformă poate determina inițierea
coroziun ii sub efort oscilant.
Coroziunea punctiformă și de repaus se manifestă sub formă de m ici cratere
în suprafața metalică .
Coro ziunea sub tensiune mecanică și sub efort oscilant se manifestă sub
forma de fisuri. Suprafețele locurilor de defect produse de coroziunea sub tensiune
mecanică se caracterizează prin fisuri intercristaline de -a lungul conturului
granulelor.
Coroziunea sub efort oscilant este caracterizată prin fisuri alternant
transcristaline si intercristaline.
12.4.2.2 Defecțiuni ale pompelor și ventilatoarelor
Cele mai multe avarii ale instalațiilor prin care circulă lichide se produc ca
urmare a greșelilor de proiec tare, în mai mică măsură a pompei . Este, însă,
importantă încadr area pompei în circuitele tehnologice ale instalației . Principalele
defecțiuni se produc din cauza tr aseului și formei neadecvate a conductelor de
aspirație, de recirculare și de descărcare. P e de alta parte, la o cădere de presiune
relativ mică, este posibil să se producă vaporizarea apei în conducta de aspirație. O
altă categorie mare de avarii este cauzată de neetanșeitatea organelor de închidere,
care pot avea ca efect deformarea carcasei p ompei .
Un traseu incorect dimensionat poate conduce, de asemenea , la avarii frec –
vente. În timpul funcționării de durată și sub influența condi țiilor de funcțio nare,
pot apărea defecțiuni prin uzare și coroziune. O formă specială a fenomenelor care
produ c uzarea o constituie cavitația, care se produce în unele cazuri de co necta re a
pompei în condiții de cădere de presiune și vaporizare în conducta de admisie.
În cazul ventilatoarelor, eroziunea paletelor este cauza cea mai importantă a
avariilor. Acea sta depinde de concentrația, de compoziția și de granulația gazelor
evacuate . Concentrația și granulația din gazele evacuate depind , în mare măsură, de
calitatea instalațiilor de filtrare a gazelor .
12.4.2.3 Deteriorări ale liniilor electrice subterane (în cablu)
Deteriorarea liniilor electrice subterane LES (în cablu , LEC) poate fi locali –
zată în diferite puncte pe traseu:
Deteriorări în cablul propriu -zis
Deterior area cablurilor se manifestă , în final , prin defecte de izolație (p uneri
la pământ, scur tcircuite). Aceasta este, în principal , consecințele următoarelor
procese: deteriorarea învelișurilor de protecție și strivirea izolației sub acțiunea
unor eforturi externe, sau deteriorarea izolației ca urmare a unor defecțiuni de
fabricație sau de montaj și a modificării unor calități fizico -mecanice. Deterior area
Măsurarea consumului de energie electrică 387
cauzată de supratensiuni este mai rară : rezerva de izolație a cablurilor este mare,
protecția în general este bună, iar undele de supratensiune sunt rapid amortizate .
Reducerea nivelului de izol ație a cablului este datorat, de cele mai multe ori,
existenței unor fisuri sau crăpături inițiale în învelișul de protecție exterior. Acestea
pot să rezulte, de exemplu , din cauza manevrării neatente la pozare, din cauza unei
lovituri primite în timpul un or lucrări de săpături efectuate în apropierea cablului,
sau din cauza corodării acestui înveliș. Umiditatea pătrunde pe această cale și
provoacă , treptat , scăderea rezistenței de izolație în porțiunea de cablu respectivă.
Acest proces este , în general , de lungă durată, de ordinul lunilor, depinzând de
amploarea crăpăturilor, conținutul de umiditate din zona înconjurătoare și de tipul
izolației (hârtie impregnată cu masă obișnuită, cu masă nemigratoare, de PVC sau
altă masă plastică).
De mențion at faptul că și izolațiile cu masă plastică sunt sensibile la
umiditate, deși în mai mică măsură decât hîrtia impregnată.
Deteriorările de izolație pot să apară pe traseul cablului și se manifestă inițial
ca puneri la pământ, transformându -se uneori în scurtcircuite bi(tri)fazate. Dacă
defec tul a fost deconectat în timp sc urt, volumul deteriorării rămâne limitat și ,
uneori , se pot constata urmele și natura deteriorării învelișulu i și, în special , dacă
este datorat coroziunii sau altor cauze .
Procesul de degradare term ică a izolației poate să apară pe căi diferite. Cea
mai simplă este ca urmare a funcționării de lungă durată la o sarcină mai mare
decât cea normală, respectiv la un regim de temperatură mare la nivelul izolației
principale.
Regimuri îndelungate de temper atură ridicată pot să apară, însă, și în
anumite puncte ale traseului fără să se fi depășit sarcina nominală. Astfel de cazuri
sunt în zone cu rezistivitate termică mărită, de aglomerare a mai multor cabluri, de
intersecții sau apropieri de conducte calde și alte instalații asemănătoare. În astfel
de cazuri, creșterea de temperatură se limitează numai la porțiunea respectivă.
Alegerea necorespunzatoare a ecranului, modificarea în timp a condițiilor de
legare la pământ a rețelei sau alte cazuri asemănătoare, pot conduce la depășirea
curentului admisibil pri n ecran. În astfel de cazuri pot să apară deterioră ri ale
izolației de sub ecran sau a invelișurilor protectoare.
O deterioare brutală poate fi determinată de tăierea cablurilor cu excavatoar e
sau alte util aje, în special în zona unor construcții în desfășurare.
Deteriorări în zona manșoanelor de legătură, sau a cutiilor terminale
Manșoanele de legă tura și cutiile terminale reprezintă puncte slabe ale
traseelor de cabluri, din două motive. În primul rând , pentru că în aceste locuri se
modifică geometria cablurilor, deci apare deformarea câmpului electric și, în
același loc, apar și neomogenități în structura izolației. În al doilea rând, aceste
elemente se execută după pozarea cablului, în condiții de șantie r și cu personal de
calificare variată. În consecință , în punctele respective apar , simultan , solicită ri
mărite , din cauze constructive și nesiguranță sporită , din cauze subiective.
Defectele caracteristice rezultă din aceste condiții și sunt următoarele:
defectele pieselor de contact;
defectele invelișurilor de protecție și a le ecranelor;
388 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
defectele straturilor izolante ale manșonului sau cutiei terminale;
defecte în cablu, în apropierea manșonului sau cutiei terminale.
Cele mai sensibile elemente s unt cutiile terminale de tip exterior. Fiind
supuse unor variații mari de temperatură, straturile izolante și , în special , masa de
turnare se dilată, respectiv se contractă (în funcție de procesul tehnologic a
instalației alimentate) de 1 100 ori pe zi. Dacă execuția este neîngrijită, aceste
variații de dimensiune conduc la absorbție de umezeală și, în final, la străpungere.
Se menționează că procesul de absorbție de umezeală poate avea loc și pe calea
umidității conținute în aerul atmosferic și care se p recipită pe suprafețele interioare,
în momentele de răcire a cutiei terminale.
12.5 Cauze de defecte în instalațiile electrice
Multe dintre defecte pot să apară în regimuri normale de funcț ionare ,
definite prin realizarea condițiilor care au fost luate î n considerare la proiectarea
unei instalații și anume: condițiile de mediu și eforturile datorate mediului exterior
(temperatura, umiditate, vânt, depuneri de gheață etc.), sarcinile electrice (curent
electric , putere activă și reactivă care circulă prin e lementele instalației, tensiuni de
regim permanent sau tranzitoriu) și sarcinile mecanice și termice rezultate din
principiul constructiv -funcțional al instalației.
Apariția unor avarii în regimuri normale de funcționare atrage atenția celor
ce analizează avaria asupra unor greșeli de proiect are, montaj sau întreținere.
Pentru selectarea și evidențierea acestora este necesară reconstituirea , cât mai
exact ă, a evenimentului și verificarea , prin calcule sau măsurători , a eforturilor ce
puteau să apară în elem entele deteriorate.
Uneori avariile în regimuri normale scot în evidență solicitări , insuficient
cunoscute la data proiectării, sau defecțiuni ascunse ale procesului de fabricație sau
de montaj. Sunt multe cazuri în care astfel de avarii atrag atenția asup ra unei stări
de degradare a instalației (de exemplu izolație umedă sau îmbătrânită), care i -a
redus rezistența față de solicitările normale.
12.5.1 Suprasolicitări electrice
Suprasolicitarea electrică a e lementelor rețelei poate fi de mai multe feluri,
în funcție de natura elementului respectiv. La ele mentele conductoa re, supra solici –
tările apar ca urmare a depășirii curentului electric nominal. La elementele izolante,
suprasolicitările apar ca urmare a depășirii tensiunii no rmate (de dimensionare) .
Funcționân d la curentul electric nominal, elementele rețelei se mențin în
limitele de temperatură maxim admise la regim de durată . Forțele electrodinamice
sunt de obicei neglijabile în acest regim. Depășirea curentului nominal conduce la
creșterea treptată a temperaturii elementelor circuitului respectiv , iar forțele
electrodinamice cresc mult . Deoarece creșterea temperaturii are loc în timp, iar
majoritatea elementelor rețelei suportă , pe timp limitat , o anumită creștere a
temperaturii peste cea normală, su prasolicitarea electrică este acceptabilă în
anumite limite, care pot fi determinate pentru fiecare element conduc tor.
12.5.2 Acțiunile greșite ale personalului
Măsurarea consumului de energie electrică 389
În timpul exploatării instalațiilor electrice apar și situații nedorite de avarii
cauzate de acțiunile greșite ale personalului de exploatare sau reparație.
Deși comparativ cu numărul de incidente și avarii datorate altor cauze,
aceste a sunt relativ reduse, totuși ele sunt deosebit de grave prin consecințele pe
care le pot avea asupra instalațiil or, echipamentelor și chiar a personalului în cauză,
ultimii fiind expuși consecințelor arcului electric sau exploziilor de echipa mente.
Avariile datorate acțiunilor greșite ale personalului pot fi de tipul:
deschiderea sub sarcină a separatoarelor;
punerea sub tensiune a unor elemente de instalații scurtcircuitate și legate
la pământ;
reglaje incorecte ale protecției prin relee;
acționarea eronată a protecțiilor prin relee în timpul verificării funcționării
acestora ;
nerespectarea tehnologiilor de re parație a instalațiilor electric e.
Alături de aceste acțiuni greșite ale personalului de exploatare și de reparație
apar, în unele cazuri, avarii și din cauza greșelilor pe proiectare și construcție ale
instalațiilor electrice, care se consideră , de asemenea, ca acțiuni greșite ale perso –
nalului.
Măsurile , care se iau pentru evitarea unor acțiuni greșite ale personalului de
exploatare sau de reparații , se înscriu în trei categorii, care se completează reciproc
și anume:
măsuri tehn ice în instalații, așa cum sunt : interblocarea electrică la
manevrarea separatoarelor, condiționată de poziția întreruptorului, sau inter blo-
carea mecanică a unor separatoare cu sepa ratoarele de punere la pământ;
măsuri organizatoriee, așa cum sunt : elaborarea instrucțiu nilor interne, a
fișelor tehnologice, a prescripțiilor și normativelor și crearea cadrului organizatori c
necesar asimilării acestora;
măsuri de selectare, formare, instruire, perfecționare și promovare a
personalului.
12.6 Daune
Unul dintre cele mai importante aspecte ale fiabilității sistemelor electrice de
alimentare îl reprezintă estimarea costurilor asociate întrerupe rilor [12.3, 12.4 ].
La apariția unei întreruperi, este imposibil să se cuantifice exact sarcina ce ar
fi trebuit alimentată pe dura ta întreruperii. În mod curent, nivelul sarcinii este
considerat a fi egal cu sarcina convențion ală a fiecărui consumator alim entat de
către porțiunea de rețea afec tată de întrerupere.
O soluție mai bună ar putea fi utilizarea profilurilor de sarcină care definesc
comportarea în timp a consumului utilizatorului . În orice caz, aceste profiluri de
sarcină reprezintă , în mod tipic , clase de consumatori și , de aceea , nu sunt ușor de
acceptat pentru evaluarea sarcinii î ntrerupte a consu matorilor. De obicei, l a
calcularea costului întreruperilor, sunt considerate rate de întrerupere constante. Se
află în dezvoltare studii de identificare a ratelor non -constante.
În general, folosirea ratelor costului de întrerupere constante, pot subestima
semnificativ costul întreruperilor anuale, ținând seama de păstrarea v ariației medii
390 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
a costului [12.5 ]. Găsirea unei căi mai bune a calculării costului întreruperilor este
o problemă importantă în cercetarea din domeniul fiabilității.
Un cadru general de reguli , orientat cătr e consumator , poate fi dezvoltat prin
crearea unei structuri în care consumatorii pot alege între mai multe alternative,
pornind de la o opțiune de bază , relativ ieftină , pentru accesarea sistemului și apoi
alegerea diverselor servicii de calitate a energ iei, fiecare având un preț suplimentar.
Aceasta necesită o clasificare corespunzătoare a opțiunilor de calitate, definirea
standardelor de performanță pentru fiecare opțiune și o stabilire clară a modului în
care operatorii de piață au posibilitatea să -și ofere serviciile clienților. Opțiunile
oferite ar trebui să fie însoțite de o cuantificare a penalizărilor pe care furnizorul
trebuie să l e plătească consumatorului în cazul în care calitatea serviciului este la
un nivel mai mic decât cel standardizat [12.6, 12.7, 12.8 ]. Penalizările pot fi definite
prin reglementări naționale sau pot fi parte a unui contract prevăzut între
consumator și operatorul de piată.
Cele mai multe perturbații care conduc la reducerea nivelul ui calității ener –
giei sunt asociate unor evenimente aleatoare. Utilizarea metodelor proba bilistice ,
capabile să s intetizeze cantităț ile tehnice î n costuri , astfel încât să formeze distri bu-
ții de probabilitate ale costurilor, este importantă pentru evaluarea riscului [12.9] .
Pentru a evita re ducerea calitații energiei furnizate, în prezent, există soluții
eficiente. Acestea includ contracte speciale în care un consumator ar putea fi
alimentat din mai multe surse independente, în așa fel încât , la un defect previzibil
pe circuitul principal de alimentare , să existe o cale de rezerva pentru alimentarea
consumatorului. Desigur că există și alte soluții care pot fi adoptate în urma unor
calcule tehnico -economice.
12.7 Procesul de repunere în funcțiune
12.7.1 Acțiuni pentru repunerea în funcțiune
Un aspect important al fiabilității sis temelor electrice de alimentare cu
energie electrică îl reprezintă procesul de repunere în funcționare după apariția
unui defect. În acest proces, numărul receptoarelor afectate de către întreruperea
alimentării este redus progresiv prin efectuarea unui set de acțiuni de decuplare si
secționare, acțiuni îndreptate către localizarea defectului, izolarea secțiunii defecte
și repunerea în serviciu pro gresivă a tuturor receptoarelor afectate de întrerupere.
Ca exemplu, în figura 12. 1 este reprezentată, pentru un sistem de distribuție
real, evoluția în timp a numărului receptoarelor cărora li s -a întrerupt furnizarea
energiei electrice , în timpul executării manevrelor manuale de repunere în
funcționare după apariția unui d efect.
Curba care descrie procesul de repunere în se rviciu, are un profil multi –
treaptă . Procesul de repunere în serviciu încetează în momentul în care ultimul
receptor (grup de receptoare ) este realimentat cu energie electrică. Momentul la
care to ate receptoarele sunt realimentate este folosit pentru calcularea duratei totale
Dtot a repunerii în serviciu. Poate fi evaluat și timpul de repunere în serviciu
ponderat echivalent Tm, calculat ca fiind media ponderată a duratei întreruperii
alimentăr ii în timpu l fazei de repunere î n funcționare, considerând numărul de
receptoare deconectate la fiecare etapa de repunere în serviciu (treptele din fig.
Măsurarea consumului de energie electrică 391
12.1) drept pondere. Perechea ( Dtot, Tm) oferă informații asupra evoluției procesului
de repunere în funcționare.
N
500
400
300
200
100
0
5 10 15 20 25 30 35 40 t[min]
Fig. 12.1 Evoluția numărului consumatorilor
deconectați în timpul procesului de repunere în
funcționare . Dtot Tm
În general, pot fi abordate diferite strategii de repunere în funcțiune și
utilizate diferite proceduri și tehnici pentru asistarea operatorilor sistemelor de
alimentare cu energie electrică în vederea repunerii în serviciu , după apariția
defectelor. [12.10, 12.11, 12.12 , 12.13, 12.14 , 12.15 , 12.16 ]
Operațiile de repunere în funcțiune nu pot fi studiate și evaluate uniform, din
cauza proprietăților specifice ale fiecărei secții alimentată cu energie electrică.
12.7.2 Scheme de repunere în funcțiune
Există diverse tipuri de rețele electrice , în funcție de condițiile specifice ale
întreprinderii, ceea ce implică diferite setări ale protecțiilor (ce conțin un număr
diferit de disp ozitive incluse de deconectare). Ca exemplu, se consideră un sistem
de distribuție cu N sarcini în perioada de timp [0, T]. Sunt luate în considerare
defectele care apar în sistemul de alimentare cu energie electrică din exterior ul
întrepri nderii și defectele care apar în cadrul rețelei interne a întrepr inderii.
Un defect poate necesita diferite faze ale dignosticării și ale repunerii în
funcțiune. Pot fi luate în considerare trei tipuri de defecte:
defecte la punctele de alimentare , determinate de evenimnete din rețeaua
electrică exterioară, cu o singu ră fază de repunere în funcțiune;
defecte temporare ale sistemului de alimentare cu energie electrică , cu
declanșarea întreruptorului, re anclanșare desfășurată cu success, urmată de
funcționare normală, cu o singură fază de repunere în funcțiune;
defec te permanente , ce necesită trei faze diferite de repunere în funcțiune
după declanșarea întreruptorului:
operații telecomandate, efectuate din centrul de control cu scopul de
a izola defectul și pentru repunerea în funcțiune a părții din sistem neafecta te de
defect;
operații manuale adiționale, efectuate de către operatorii de
mentenanță cu scopul de a izola defectul și pentru repunerea în funcțiune a părții
din sistem neafectate de defect;
reparații în amplasament și serviciul final de repunere în f uncțiune.
În cazul unui defect (scurtcircuit) apărut pe o linie, există o secvență clară de
operații pentru restabilirea funcționării normale a ramurii atinse de defect ( figura
392 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
12.2):
a) Apariția defectului (scurtcircuit) pe o linie ;
b) Declanșarea protecț iei:
declanșarea automată a întreruptorului amonte I;
toate sarcinile alimentate prin întreruptorul amonte I sunt deconectate;
c) Reanclanșare :
reanclanșare automată a întreruptorului ;
dacă are success, defectul este temporar: toate sarcinile sunt
reconectate ;
dacă nu are s uccess, defectul este permanent; este necesar să se
izoleze ramura defectă.
Receptoare Defect Parte nealimentată
cu energie electrică
Fig. 12.2 Rețea electrică afectată de defect. Rețea electrică
exterioară
I
La deconectarea defectului prin întreruptorul principal I , toată rețeaua
electri că internă rămâne nealimentată cu e nergie electrică.
În cazul existenței unui separator pe linia cu defect (fig. 12.3) pe lâ ngă
secventele a), b) și c) apare următoarea secvență de evenimente, datorată ne cesității
de repunere rapidă în funcțiune pentru receptoarele deconectate:
Receptoare Defect Parte nealimentată
cu energie electrică
Fig. 12.3 Limitarea zonei afectată de defect. Rețea electrică
exterioară
I
S1
d) Secționare amonte :
găsirea poziției ramurii cu defect ;
operare automată sau manuală a separatorului S1 situat în amonte pe
ramura afectată de defect ;
e) Repunerea în funcțiune amonte :
reanclanșarea întreruptorului principal I ;
sarcinile situate pe ramura afectată de defect, dar situate amonte față
de defect, sunt reconectate .
În cazul unei rețele cu posibilitatea de buclare și prevăzută cu separatoare pe
fiecare tronson (fig.12.4), secvența evenimentelor este completată cu următoarele
Măsurarea consumului de energie electrică 393
etape:
f) Secționare aval :
localiz area precisă a ramurii cu defect ;
deschiderea comandată automat sau manual a separatorului S2 aval
față de defect ;
g) Repunere în funcțiune în aval :
se închide separatorul de buclă S astfel în cât sarcinile situate în aval
față de defect vor fi reconectate printr -o cale diferită ;
dacă separatorul S nu poate fi închis, sarcinile situate în aval față de
defect vor fi reconectate numai după repararea defectului ;
h) Repararea defectului
localizarea exa ctă a defectului (în interioru l ramurii cu defect) ;
repararea defectului și reluarea configurației inițiale, premergătoare
apari ției defectului .
Receptoare Defect
Fig. 12.4 Limitarea zonei cu defect într -o rețea electrică
cu posibilitate de buclare. Rețea electrică
exterioară
I1 S1 S2 S Sursă de energie
electrică
I2
În vederea stabilirii procedurilor de repunere în funcțiune pentru sisteme
industriale cu întindere mare , trebuie să existe scenarii adecvate . Sistemele
industriale mari sunt, în mod obișnuit , structurate buclat, dar funcționează în
configurații radiale, pentru a se simplifica schemele de protecție. O configurație
este def inită pri n atribuirea stării (deschis/închis) a conexiunilor fiecărui ramuri cu
nodurile terminale. Aceste conexiuni pot fi de patru tipuri, cu un nivel descrescător
al automatizării:
întreruptor tele comandat cu declanșare automată în cazul apariției unui
defect;
separator tele comandat cu declanșare automată în cazul apariției unui
defect;
separator local (manual), fără declanșare automată în cazul apariției unui
defect;
conexiune directă la nod, fără nici un dispozitiv de conectare.
Fiecare întreruptor prot ejează un circuit radial; aparția unui defect în orice
punct al acestuia înseamnă o ieșire din serviciu a întregului circuit . Numărul de
receptoare , conectat e la acest circuit , determină puterea întreruptă la apariția unui
defect.
12.8 Mentenanța instala țiilor electrice
394 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
Mentenanța reprezintă totalitatea acțiunilor planificate și neplanificate de
control, testare, întreținere și reparare, efectuate asupra unei instalații în, vederea
obținerii unui nivel de siguranță dat. Sunt definite trei tipuri de mente nanță :
mentenanța predictivă, cu scop principal de reducere a riscurilor de
producere a unui defect, în special prin acțiuni d e schimbare a unor piese care, î n
mod teoretic, sunt supuse uză rii, într -un grad mai ridicat decâ t alte p iese existente
în cadr ul aceluia și sistem;
mentenanța preventivă, cu scop principal de reducere a riscurilor de
producere a unui defect, în special prin acțiuni de încercări profilactice (testare), de
schimbare a unor piese supuse uză rii, de revizii și reparații planificate;
mentenanța corectivă, cu scopul principal de înlăturare imediată a
funcționări lor defectuoase sau avariilor.
Mentenanța include activitățile de exploatare, întreținere, reparare și probe
profilactice.
12.8.1 Exploatarea și întreținerea; repararea inst alațiilor
Activitatea de exploatare se referă la complexul de lucrări prin care se
asigură funcți onarea instalațiilor electrice la un nivel ridicat de sigur anță și la
parametri normali. Această activitate include [12.17 ]:
lucrări operative (de intervenț ie) LO prin care se realizează suprave –
gherea, controlul, ur mărirea regimului de funcționare și înlăturarea imediată a
eventualelor incidente, avarii sau deranjamente;
lucrări curente LC prin care se realizează periodic, verificări, curățiri,
eliminări ale unor defecțiuni mici.
Activitatea de î ntreținere -reparare se referă la complexul de lucrări ce se
execută cu periodicități prestabilite, pentru a menține instalațiile electrice în bună
stare de funcționare, pe toată durata de viață normată. Această activitate include :
revizia (revizia tehnică) RT prin care se execută , la perioade presta bi-
lite, verificări, curățire a și înlocuirea unor subansambluri ;
reparația curentă RC prin care se execută lucră ri de un volum mai
mare, a căror nece sitate s -a constatat cu ocazia reviziei ;
reparația capitală RK prin care se execută lucrări de readucere a
instalațiilor cât mai aproape de caracteristicile tehnice inițiale sau de îmbunătățire a
acestora.
Din punct de vedere valoric , costurile , raportate la valoarea mijlocului fix
supus revizi ei sau reparării, nu depășesc 2 3% î n cazul reviziilor, 15% în cazul
reparaț iilor curente și 60 65% în cazul repara țiilor capitale.
12.8.2 Sistem al calității mentenanței
Când se tratează a spectele calit ății, receptoarele de energie electrică sunt , în
mod tipic , împărțite , pe baza caracteristicilor, în grupuri adecvate, folosindu -se un
proces numit segmentare . Fiecare segment trebu ie să fie abordat în mod diferit, din
punct de vedere al calității sistemul ui de alim entare cu energie electrică.
Sistemul calității trebuie să ia în considerare mai multe variabile ale activi –
Măsurarea consumului de energie electrică 395
tății de mentenanță, precum :
tipul acesteia:
corectivă ;
preventivă ;
predictivă ;
perioada la care se efectuează lucrările specifi ce:
lunar ;
semestrial ;
anual ;
urmându -se un șablon predictiv, rezultat în urma unor calcule ;
entităț ile care execută aceste lucrări:
serviciile proprii consumatorului (grupa de electricieni din cad rul
unității) ;
societățile furnizoare de echi pamente ;
societăți specializate în activități de mentenanță.
Această clasificare trebuie să definească indicatorii de calitate potriviți,
precum și limitele lor, să clarifice procedurile necesare activității de mentenanță și ,
în particular , să exprime a spectele economice a le responsabilităților atunci când
limitele sunt depășite. În paralel, regulile a r trebui să prevadă stimulente pentru
îmbunătăț irea nivelurilor individuale și globale ale calității serviciului de alimen –
tare cu energie electrică.
În pr ezent , există tendința de uniformizare a reglementărilor în ceea ce
privește calitatea serviciului de alimentare cu energie electrică, precum și a
serviciilor conexe acestuia (de ex emplu , activitatea de mentenanță). Implementarea
graduală a unui sistem coe rent de reguli depinde , în mare măsură , de dorința
consumatorului de a accepta diferite niveluri de calitate situate la diferite prețuri,
precum și de posibilitatea asigurării de contribuții economice pentru îmbunătățirea
calității acestor servicii.
12.9 Concluzii
Eficiența energetică a receptoarelor de energie electrică dintr -o întreprindere
depinde , atât de disponibilitatea sistemului de alimentare cu energie electrică , cât și
de menținerea acestora la parametrii proiectați de funcționare.
Cunoașterea m ecanismelor care conduc la degradarea calității energiei
electrice furnizată, dar și a celor care conduc la reducerea fiabilității instalațiilor
electrice și a echipamentelor de lucru permite adoptarea celor mai eficiente decizii
pentru asigurarea unor par ametri funcționali ai întreprinderii la un nivel acceptat,
din punct de vedere al profitului realizat.
Deoarece cauzele care determină degradarea calităț ii energiei elec trice și
reducerea fiabilității sistemelor de energie din cadrul întreprinderii au un c aracter
aleatoriu, datele obținute în cadrul unui audit și, mai ales, compararea cu datele
obținute în cadrul unui audit anterior, pot oferi informații importante pentru
stabilirea mărimilor reale pentru calculul indicatorilor de fiabilitate.
Datele obținu te în urma auditului energetic pot ajuta la a legerea rațională a
396 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
procedurilor de mentenanță, monitorizarea mai bună a defectelor și a deranja men-
telor, precum și adoptarea deciziilor privind îmbunătățirea disponibi lității siste –
mului de alimentare cu ene rgie electrică.
Anexa 1 2.1
Noțiuni utilizate; t erminologie și definiții
Deranjamente din rețelele electrice de joas ă tensiune (
1 kV) sunt
evenimente accidentale care conduc la întreruperea consumatorilor alimentați din
această reț ea sau la modificarea valorii tensiunii în afara benzilor admise.
În categoria deranjamente se înregistrează și arderea siguran țelor sau
declanșarea neselectivă a întreruptoarelor de pe partea de medie tensiune a
transformatoarelor, cu excepția cazurilor c ând acestea se produc ca urmare a
defectă rii transformatoarelor sau a unor scurtcircuite pe partea de medie tensiune,
până la bornele transformatorului.
Modul de evidență și analiză a deranjamente lor este stabilit prin instrucțiuni
specifice , elaborate de operatorii instalațiilor de alimentare cu energie electrică .
Deranjamentele se înregistrează la nivelul secțiilor de exploatare și se analizează la
nivelul operatorilor de instalații.
Un incident de exploatare este evenimentul sau succesiunea de eveniment e
care conduc la modificarea stării anterioare de exploatare, cu consecințe nedorite
asupra duratei de funcționare sau parametrilor funcționali, care au loc la un
moment dat într -un element sau într -o instalație, indiferent dacă au avut sau nu
consecințe a supra consumatorilor.
Din categoria incidentelor de exploatare fac parte:
Ieșirile sau scoaterile accidentale din funcț iune a unei sau a mai multor
instalații componente ale centralelor electrice proprii ( de ex emplu : cazane, turbine,
generatoare, instala ții de combustibil, circuit hidrotehnic, stații de reducere – răcire,
prize etc.) sau a rețelelor electrice interioare ( de ex emplu : elemente ale stațiilor de
transformare, posturilor de transformare, ale liniilor electrice etc.);
Reducerea , față de prog ram, a puterii efectiv utilizabile , sub limită și peste
o durată , determinată de orice circumstanțe;
Din punct de vedere al consecințelor asupra instalațiilor industriale ,
incidentele de exploatare pot fi de următoarele genuri :
avarie, care reprezintă u n incident de exploatare sa u o succesiune de
incidente, c e au loc la un moment dat și care au drept consecințe deteriorări de
echipamente importante sau întreruperi în alimentarea cu energie electrică sau
căldură a unei platforme industriale sau a unei zon e de consum;
deteriorare de echipament, apărută cu ocazia unui incident de exploatare
(sau avarie) și caracterizată prin modificarea caracteristicilor fizice (electrice,
termice, hidraulice sau mecanice) ale echipamentului, care conduc la scoaterea
acest uia din funcțiune, necesitând trecerea în reparație;
perturbație în alimentarea cu energie electrică , totală sau parțială, care se
referă la necesitatea , ca la un moment dat , să se limiteze , parțial sau total ,
furnizarea de energie electrică pentru unii consumatori importanți.
Măsurarea consumului de energie electrică 397
În domeniul rețelelor electrice, noțiunea de incident de exploatare se
utilizează în rețelele cu tensiuni de 1 kV și mai mari. Pentru rețelele de joasă
tensiune (0,4 kV), noțiunea utilizată este aceea de deranjament.
Delimitarea fizică a folosirii celor două noțiuni o reprezintă postul de
transformare. Astfel, indiferent de natura deconectării sau cauza care a provocat
deconectarea intempestivă a întreruptorului de medie tensiune (sau topirea
siguranțelor de medie tensiune echivalen te) sau a elementelor din amonte de acesta,
modificarea nedorită a schemei normale de funcționare se încadrează ca incident.
Fac excepție cazurile în care instalațiile de automatizare (reanclanșare
automată rapidă sau anclanșarea automată a rezervei) funcț ionează corect la un
defect de scurtă durată .
Indiferent de natura sau de cauza care a provocat deconectarea întrerupto –
rului de 0,4 kV (s au topirea siguranțelor de joasă tensiune echivalente) ori a altor
elemente din aval de acesta, modificarea nedorită a schemei normale de funcționare
se încadrează ca deranjament .
Atât incidentele de exploatare, cât și deranjamentele se caracterizează prin
următoarele elemente:
cauza sau fenomenul care provoacă , la un moment dat , apariția
incidentului sau deranjamentulu i (proiectare eronată, execuție greșită, mod incorect
de exploa tare sau întreținere, uzura tehnică, depășirea solicitărilor pentru care a fost
dimen sionată instalația etc.);
momentul apariției este determinat de cauza care generează incidentul
(manifes tări ale naturii, poluare , vibrații, influențe exterioare, manevre de exploa –
tare, abateri de la parametrii nominali etc.) ;
durata este intervalul de timp cuprins între momentul apariției incidentului
și momentul lichidării lui;
energia electrică sau c ăldura nelivrabilă este energia electrică sau căldura
care ar fi fost livrate consumatorilor în condiții normale de funcționare.
Fiecare incident de exploatare este analizat sistematic, din toate punctele de
vedere, întocmindu -se pentru fiecare caz o fișă de incident . În fișă se înscriu
principalele evenimente care au avut loc, condițiile meteorologice, datele
calendaristice, datele instalației sau elementului afectat, cauza, prilejul, durata,
efectele asupra consumatorilor, funcționarea dispozitivelor de p rotecție, de
automatizare, de protecție la supratensiuni, schema instalațiilor afectate și măsurile
de luat pentru prevenirea altor incidente similare.
Fișa de avarie cuprinde date calendaristice, numă rul de incidente compo –
nente, descrierea incidentului p rimar și a incidentelor asociate, descrierea desfă –
șurării avariei, consecințele și măsurile propuse de prevenire pentru viitor.
Fișa de echipament deteriorat cuprinde descrierea , pe scurt , a fenomenului și
a elementului deteriorat, parametrii nominali ai instalațiilor și elementului dete rio-
rat, datele constructive ale echipamentului deteriorat, durata de funcționare totală
de la ultima reparație și de la ultima încercare profilactică, rezultatele ultimei
încercări profilactice, cauza deteriorării, durata indisponibilității, costul reparațiilor
accidentale, numărul de echipamente identice deteriorate, măsuri de prevenire
pentru viitor.
398 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
Fișa de perturbări în alimentarea eu energie electrică sau căldura a consu –
matorilor importanți nomin alizați ( fiecare con sumator având fișa proprie) , cuprinde
o înșiruire a evenimentelor cu date caracteristi ce privind: datele calendaristic e,
energie electrică sau căldură nelivrabilă, abateri de la parametrii nominali, cauzele
și consecințele perturbării.
Bibliografie
[12.1] Bompard E. ș.a., Convergence of the backward/forward sweep method for the load -flow
analysis of radial distribution systems , Electrical Power and Energy Systems 22, 2000,
pg.521-530.
[12.2 ] Popa T., Baciu A., Laszlo T., Avarii în instalațiile energetice , Editura Tehnică, București,
1978 .
[12.3] *** Methods to consider customer interruption costs in power system analysis ”, CIGRÉ Task
Force 38.06.01, CIGRÉ Report , 2001.
[12.4] Sullivan M.J.ș.a., Interruption costs, customer satisfaction and expectations for service
reliability , IEEE Trans. Po wer Systems , 11, 2 (May 1996) , pg. 989-995
[12.5] Kjølle G.H. ș.a., Adequate interruption cost assessment in a quality based regulation regime ,
Proc. IEEE Porto Power Tech , September , 10-13, 2001, ref. QSR3 -174.
[12.6] Michalik -Mielczarska G., Szczygiel L. , Mielczarski W., Tariff regulation to improve supply
quality , Proc. 10th ICHQP , Oct. 6 -9, 2003, Vol.1, pp.7 -12.
[12.7] McGranaghan M., Kennedy B.W. , Samotyj M., Power quality contracts in a competitive
electric utilit y industry , Proc. 8th ICHQP (1998) Vol.1, pp.170 -175.
[12.8 ] Langset T.ș.a., Quality dependent revenue caps – A model or quality of supply regulation ,
Proc. CIRED 2001 , Amsterdam, The Netherlands, 2001, paper 6.4.
[12.9] Clarkson P.L., Hodgkins W.R. , Leigh J.A., Worst served customers , Power Engineering
Journal , April 2001, pp.95 -99.
[12.10] Dialynas R.N., Michos D.G., Interactive modeling of supply restoration procedures in
distribution system operation , IEEE Transactions on Power Delivery 4 , 3 (Iulie 1989 ),
pp.1847 -1854 .
[12.11] Kersting W.H., Phillips W.H., Clay Doyle R., Distribution feeder reliability studies , IEEE
Transactions on Industry Applications 35, (2), Martie/Aprilie 1999, pp.319-323.
[12.12] Popović D.S., Ćirić R.M., A multi -objective algorith m for distribution network restoration ,
IEEE Transactions on Power Delivery 14, (3), Iulie 1999, pp.1134 -1141
[12.13] Nan Miu K. ș.a., Fast service restoration for large -scale distribution systems with priority
customers and constraints , IEEE Transactions o n Power Systems 13, (3), August 1998,
[12.14] Lee S.J., Lim S.I., Ahn B. S., Service restoration of primary distribution systems based on
fuzzy evaluation of multi -criteria , IEEE Transactions on Power Systems 13, (3), August 1998,
1156 -1163 .
[12.15 ] Doulige ris C., Develekos G., Zografos K., Analysis of the service restoration operations of a
large rural utility company , Proc. 39th Rural Electric Power Conference , Aprilie 30 -Mai 2,
1995, B3/1 -B3/8
[12.16 ] Porumb R., Probabilistic characterization of distribut ion systems with distributed generation ,
PhD Thesis, Torino, Italy, 2005 .
[12.17 ] Lee Willis H., Power Distribution Planning Reference Book , Marcel Dekker, 1997 , pp.789-
795.
13
MĂSURAREA CONSUMULUI
DE ENERGIE ELECTRICĂ
13.1 Aspecte generale
Monitorizarea consumurilor de energie electrică pentru fiecare proces tehno –
logic și compararea valorilor astfel obținute cu anumite valori pr estabilite, cunos –
cute sau cores punzătoare unor condiții optimizate, sunt importante pentru adopta –
rea de măsuri necesar e creșterii eficienței utilizării energiei electrice . Cantitatea și
calitatea informațiilor obținute oferă baza de date necesară adoptă rii de decizii
corecte privind îmbu nătăț irea sau înlo cuirea unor tehnologii ineficiente .
Condițiile specifice industriei moderne , în care consumatorul pune un accent
deosebit pe calitatea energiei electrice, iar furnizorul urmărește ca perturbațiile
electromagnetice , care apar la funcțio narea consumatorului , să fie sub cele admise,
necesită informații corecte privind mărimile electrice, determinate în prezența unor
importante perturbații electromagnetice .
În condițiile actuale de plată a energiei electrice consumate , mărimile prin –
cipal e, care trebuie să fie măsurate , sunt puterea activă și puterea reactivă, ca mă –
rimi trifazate. În plus, a naliza calității energiei electrice necesită și monitorizarea
distor siunilor armonice ale curbelor de tensiune și de curent electric, a nesime –
triilor, a fluctuațiilor de tensiune ( care produc efect de flicker) , a golurilor și între –
ruperilor de tensiune.
Utilizarea frecventă a echipamentelor numerice , de fapt calculatoare specia –
lizate pentru înregistrarea mărimilor măsurate , face ca datele achizi ționate să fie
puternic dependente de algoritmele de calcul încorporate în echi pamentul de moni –
torizare. Cunoașterea acestora este necesară în evaluarea veridici tății informațiilor
obținute, pentru condițiile specifice ale fiecărui consumator.
În mod obișnuit, cei mai mulți consumatori industriali sunt conectați la rețe –
lele de medie tensiune (20 kV) sau chiar la înaltă tensiune (110 kV și 400 kV) și au
punctul de delimitare la acest nivel de tensiune. Echipamentele de monitorizare
sunt conectate în p unctul de delimitare prin intermediul unor grupuri de măsurare.
Transferul informațiilor , de la nivelul de tensiune ridicată până la nivelul echi pa-
mentelor de măsurare, determină o serie de erori care trebuie analizate și luate în
calcul pentru evaluarea mărimilor reale. Nu este suficientă existența unor echipa –
mente de măsurare de exactitate ridicat ă; este necesar ca grupurile de măsurare și
întreg lanțul de măsurare să aibă caracteristică de transfer ade cvată.
380 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
13.2 Grupuri de măsurare
13.2.1 Erori de măsurare
Toate informațiile necesare monitorizării consumurilor de energie electrică
și calității energiei electrice sunt obținute pe baza datelor privind curbele de ten –
siune la barele de alimentare și a curenților absorbiți în punctul de măsurare.
Transferul informațiilor , de la nivelul de tensiune ridicată până la nivelul de
tensiune adecvat echipamentelor de măsurare se face , în prezent , cu ajutorul
transformatoarelor de măsurare de tensiune TT și a celor de măsurare de curent
electric TC (fig. 13.1) [13.1]. Mărimile reale sunt transferate în circu itul de joasă
tensiune cu erorile corespunzătoare TT și respectiv TC.
Erorile de măsurare ale transformatoarelor de tensiune și de curent electric
(în unități relative) pot fi determinate din relații le:
,φtanδεε;φtanδεε
U U TTI I TC
(13.1)
în care I și U sunt erorile de raport (în unități relative), de curent electric (în
funcție de sarcina de pe linia analizată) și , respectiv , de tensiune, ale transfor ma-
toarelor de măsurare; I și U – erorile de un ghi (în radiani) ale transformatorului de
măsurare de curent electric (în funcție de sarcina de pe linia analizată) și , respectiv ,
ale transformatorului de măsurare de tensiune, iar tan este tangenta unghiului de
defazaj între curbele de tensiune și de cu rent electric.
Relațiile (13.1) corespund cazului în care curbele de tensiune și curent
electric sunt sinu soidale. În regimuri nesinusoidale apar termeni suplimentari.
Semnalele de la bornele transformatoarelor de măsurare de tensiune și de
curent elec tric sunt transmise, ca mărimi electrice sau ca mărimi optice, către echi –
pamentul de contorizare și monitorizare . Trans ferul semnalului este însoțit de apa –
riția erorilor t1 și respectiv t2 . Prelucrarea semnalelor de tensiune și de curent
electric are loc în echipamentul de contorizare și monitorizare. C alcul ul puterilor
active și reactive, precum și determinarea indicatorilor de calitate se fac cu o eroare
de calcul P . Integrarea puterilor pentru determinarea energiilor electrice activă și
reactivă , precum și agregarea indicatorilor determinați, conform unei proceduri
standardi zate, sunt însoțite de o eroare W . Schema din figura 13 .1 pun e în evidență
faptul că , în analiza datelor afișate de echipamentele de contorizare și de monito ri-
zare, se imp une cunoașterea întregului circuit de măsurare și estimarea erorilor care
pot să apară în acesta .
În prezent, e chipamentele de monitorizare a consumurilor de energie
electrică contoare electronice care, în mod obișnuit, au și funcții de monitorizare
a calității energiei elecrftice au sisteme numerice complexe care, în limitele algo-
ritmului implementat, asigură o exactitate ridicată de procesare a semnalelor de la
intrare. Măsurile adoptate pentru limitarea traseului circuitelor de măsurare și uti –
lizarea unor circuite adecvate de transfer , asigură , în general, ca erorile t1 și t2 să
rămână în limite acceptabile. Pot să apară însă erori importante de transfer în cazul
unor tensiuni induse în circuitele de măsurare (perceptibile , în special , la încă rcări
foarte reduse ale transformatoarelor de măsurare de curent electric).
Măsurarea consumului de energie electrică 381
În cazurile practice, erorile cele mai im por-
tante di n cadrul grupurilor de măsurare pot să apară
la transformatoarele de măsurare .
Transformatoarele de măsurare de tensiune
sunt dimensionate pentru o funcționare cu o impe –
danță mare la borne (practic în gol). În cazul unor
consumatori cu multe circuite monito rizate, este
posibil ca impedanțele corespunzătoare circuitelor
de tensiune ale echipamentelor de măsurare , mon –
tate în paralel să reducă , la o valoare inadmisi bilă,
impedanța echi valentă la bornele transforma torului
de măsurare de tensiune, fapt ce are drept conse –
cință apariția unor importante erori de trans fer TT .
La utilizarea transformatoarelor de măsu rare de t ip
inductiv, importante erori TT pot să apară în cazu –
rile în care tensiunea la bare depășește valorile no –
minale (în special ,în orele de încărcare redusă a re-
țelei electrice de alim entare).
Deoarece consumatorii actuali au, frecvent ,
caracteristici n eliniare, curentul electric absorbit și ,
în consecință , tensiunea la bare (nodul de
alimentare) prezintă o curbă nesinusoidală. Transfe –
rul informa țiilor privind for ma reală a curbelor este
condiționat de carac teristicile de frecvență ale
transformatoare lor de mă surare. De exemplu, u tili-
zarea transformatoarelor de măsurare de tip capa –
citiv (TECU), dimensionate pentru 50 Hz, poate
conduce la erori importante privind datele relative
la for ma reală a curbelor de tensiune, având în vedere că s tandardele actuale impun
analiza com ponentelor armonice până la rangul 40 (frecvența de 2000 Hz) . De
asemenea, transformatoarele de măsurare inductive prezintă o carac teristică de
frecvență care limitează transferul componentelor de frecvență ridicată [13.2].
Anal iza efectuată relativ la limita de va riație de 5% (sau cel mult 5 ) până la
o frecvență dată pune în evidență următoa rele aspecte [13.3]:
În domeniul tensiunilor medii, transformatoarele de măsurare de tensiu ne,
având în vedere exactitatea impusă în amplitudine (5%), sunt în general cores pun-
zătoare până la 1 kHz; circa 60% din totalul TT acoperă tot domeniul de armo nice
de analizat (2500 Hz).
Dacă în domeniul MT se ține seama și de limita suplimentară de 5 , TT
sunt corespunzătoare până la 700 H z; circa 50% dintre acestea acoperă tot dome –
niul de armonice de analizat.
Datele existente , privind caracteristicile de frecvență ale transformatoarelor
de măsurare de curent electric arată , că în domeniul tensiunilor medii , TC sunt
corespunzătoare pent ru măsurarea în tot domeniul armonic; la măsurarea
defazajelor, acest dom eniu se reduce la circa 1,5 kHz.
Transformatoarele de măsurare de curent ele ctric, în cele mai multe cazuri
inductive , prezintă informații în limitele de exactitate prescrise dacă în primarul Ip
Up TC
TT
Circuit de
transfer a
datelor Circuit de
transfer a
datelor TT TC
Circuit de calcul al
puterii
active și reactive . Deter –
minarea indicatorilor de
calitate a energ iei
electrice. t2 t1
Circuit de integrare
în timp . Analiza statistică
a indicatorilor de calitate
a energiei electrice. P
Afișare Wa ; Wr .
Afișare valori agregate
ale indicat orilor de
calitate a
energiei electrice. Fig. 13 .1 Schema de principiu
a sistemului de contorizare și a
energiei electrice. W
382 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
transformatorului , curentul electric este cuprins între o valoarea minimă (de obicei
10%) și o valoarea maximă (110%). În multe dintre cazuri, datorită schimbărilor în
programul întreprinderilor și a creșterii eficienței tehnologiilor, consumurile au
scăzut sensibil, fără ca grupurile de măsurare să fie înlocuite. În aceste situații ,
transformatoarele de măsurare de curent electric sunt subîncărcate și transmit infor –
mații afectate de erori importante.
13.2.2 Soluții moderne de traduc toare de tensiune
și de curent electric
Dificultățile majore , care apar la transferul complet al informațiilor privind
curbele reale de tensiune și de curent electric din circuitele de tensiune înaltă sau
medie , au condus la elaborarea unor noi soluți i pentru obținerea datelor necesare.
Una dintre acestea, din ce în ce mai folosită în rețelele de joasă și medie
tensiune , este utilizarea traductoarelor cu elemente Hall. În figura 13 .2 [13.4] este
indicată schema de principiu a unui traductor Hall pentr u curent electric.
B
H
Ip
ip A T1
T2 +U
U P RM IM
Fig. 13 .2 – Schema de principiu a unui traductor de curent
electric cu element Hall. M
Curentul electric Ip din circuitul primar, având o formă oarecare , induce în
circuitul magnetic M un flux magne tic de aceeași formă, care este aplicat elemen –
tului Hall H. La bornele acestuia , rezultă o tensiu ne de aceeași formă. După ampli –
ficare (amplifi catorul A), tensiunea rezultată se aplică la bazele tranzistoa relor T 1 și
T2 . În semiper ioada negativă a curentului electric primar Ip , pe baza tranzistorului
T1 (de tip n -p-n), se ap lică un semnal pozitiv și tranzistorul intră în conducție.
Curentul electric care rezultă parcurge tranzistorul T 1, bobina B și rezistorul de
măsurare RM (cu caracteristică liniară) și are aceeași formă cu tensiunea aplicată pe
baza tranzistorului T 1 .
Curentul electric ce par curge bobina B determină , în circuitul magnetic M , un
flux magnetic egal și de semn contrar celui determinat de curentul primar Ip , iar
elementul Hal l are rol de sesizor de câmp mag netic nul. În semiperioada pozitivă a
curentului electric primar , tensiune a negativă de la ieșirea amplificatorului A se
aplică la baza tranzis torului T 2 (de tip p -n-p). Ca și în situația precedentă,
rezistorul de măsurare este parcurs de un curent electric de aceeași formă cu
semialternanța pozitivă a curentul ui electric pri mar Ip . În acest fel, în punctul P ,
poate fi măsurată o tensiune, având o formă identică cu forma curentului primar Ip .
Măsurarea consumului de energie electrică 383
Schema din figura 13 .2, utilizând element Hall , asigură o caracteristică de
frecvență adecvată, până la circa 10 kHz, suficientă pentr u transferul informațiilor
pentru cele mai multe dintre procesele care au loc în rețeaua electrică.
Principalele avantaje ale traductorului cu efect Hall , în raport cu alte sisteme,
sunt:
asigură o separare galvanică între curentul primar și tensiunea l a bornele
rezis torului de măsurare;
are sensibilitate ridic ată și deci posibilitatea măsură rii corecte a curenților
electrici de intensitate redusă ;
nu este afectat de neliniaritatea circuitului magnetic, măsurătoarea fiind
realizată la flux magneti c nul;
are erori reduse într -un domeniu larg al frecvenței semnalului (cel puțin
până la 10 kHz);
eroarea de raport: zero în domeniul (100 2000) Hz;
eroarea de unghi: zero în domeniul (100 3000) Hz;
eroarea de raport: 3% la 10 000 Hz;
eroarea de unghi: 4% la 10 000 Hz.
O altă sol uție, din ce în ce mai utilizată pentru monitorizarea curenților
electrici o reprezintă folosirea cordonul ui Rogowski (fig. 13 .3) [13.4, 13 .5].
u(t) i(t)
a) b)
Fig. 13.3 Cordon Rogowski. u(t) i(t)
Pe un tor cu secțiune transversală c onstantă, realizat din material
nemagnetic, este plasată înfășurarea cordonului Rogowski, bobinată uniform. La
trecerea curentului electric i(t) prin interiorul buclei acestuia, se produce tensiune a
electromotoare u(t)
dtdiM tu )(, (13.2)
în care M este inductivitatea mutuală dintre circuitul parcurs de curentul electric
primar i(t) și înfășurare a cordonului .
În cazul unei construcții ideale a cordonului Rogowski, inductivitatea
mutuală M este independentă de poziția conductorului parcurs de curentul electric
i(t) în interiorul buclei. Pentru a evita influența câmpurilor magnetice variabile din
exterior, conductorul de întoarce re a înfășurării este ecranat (trecut prin interiorul
înfășurării) sau sunt realizate două înfășurări, bobinate în se ns contra r și conectate
în serie (fig. 13 .3 b)) [13.7].
Principalele avantaje ale utilizării cordonului Rogowski pentru măsurarea
curentului electric sunt:
liniaritate ( nu prezintă efecte de saturație);
384 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
un este sensibil la câmpul geomagnetic ;
stabilitate termică ridicată;
rezultatul măsurării un depinde de poziția conductorului circuitului primar;
insensibilitate la câmpurile magnetice exterioare;
bandă de frecvență foarte ridicată (teoretic până la 100 MHz).
Traductoarele pe bază de co rdon Rogowski sunt din ce în ce mai utilizate în
sistemele moderne de protecție prin relee și pentru efectuarea unor măsurători de
calitate ridicată privind forma curbei de curent electric .
O schemă asemănătoare este utilizată și pentru realizarea unor tr aductoare
Hall pentru tensiune (curentul electric din circuitul primar rezultă prin conectarea
în serie cu tensiunea de măsurat a unui rezistor calibrat).
În domeniul tensiunilor înalte încep să fie utilizate din ce în ce mai mult
schemele cu circuite opti ce (fig. 13.4) [13 .8].
2
Filtru Circuit
DOIT TC
Rm PLD
1 2
Fibră optică
WDM
cuplor
Laser Detector
Decodor Interfață OITP
M
A
G
I
S
T
R
A
L
Ă
Fig. 13.4 Transformator de măsurare optic DOIT ( Digital Optical Instrument Transformer )
a) de curent electric DOCT (Digital Optical Current Transducer );
b) de tensiune DOVT ( Digital Optical Voltage Transducer) .
Filtru Circuit
DOIT CVD PLD
1 Fibră optică
WDM
cuplor
Laser Detector
Decodor Interfață OITP
M
A
G
I
S
T
R
A
L
Ă Linie de înaltă tensiune
Linie de înaltă tensiune
1 2
a) b)
În cazul trans formatorului de curent electric semnalul proporțional cu
curentul electric din primar se culege la bornele rezistorului de măsurare,
conectat la bornele transformatorului de curent TC ( montat direct pe conductorul
de înaltă tensiune parcurs de curentul primar ). Circuitul magnetic realizat din ferită
asigură linearitatea circuitului până la frecvențe ridicate.
După filtrare, eșantionare și conversie într -o formă numerică (cuantizare) , în
circuitul DOIT ( Digital Optical Instrumment Transducer ), care comandă elementul
PLD ( Programmable Logic Device ), informațiile privind curentul electric sunt
Măsurarea consumului de energie electrică 385
trans mise optic (laser) către platforma OITP ( Optical Interface Transformer
Platform ), aflată la un nivel redus de tensiune. Cablul optic este utilizat, atât pentru
transferul informațiilor spre platforma OITP (semnalul 2), cât și pentru alimenta –
rea circuitelor electronice de la nivelul de tensiune înaltă cu ajutorul semnalului
laser 1. Separarea c elor două semnale are loc în circuitul WDM ( Wavelength
Division Multiplexing ).
Semnalul 2 , conținând toate informațiile privind forma reală a curbei cu –
rentului electric primar , este transmis detectorului și decodorului și, apoi, magistra –
lei de date , sub formă numerică,. În mod identic este realizat, traductorul de ten –
siune DOVT, semnalul de joasă tensiune fiind însă preluat de la bornele de joasă
tensiune ale divizorului capacitiv CVD ( Capacitive Voltage Divider ).
Principalele caracteristici tehnice a le sistemelor actuale de măsurare sunt:
tensiunea nominală: 72 765 kV;
curent electric nominal: 50 4000 A;
temperatura de lucru: 50 +40C;
incertitudinea totală de măsurare: 0,5% (corespunde incertitudinii unui
sistem clasic de m ăsurare cu clasă de exactitate de 0,2);
lipsa interferențelor electromagnetice în circuitele de transfer a informa țiilor;
volum redus.
De menționat faptul că transformatoarele neconvenționale de măsurare de
tensiune și de curent electric pot fi asoc iate numai cu sistemele numerice de pre –
lucrare de date, având în vedere faptul că puterea redusă, disponibilă în secundarul
acestora , este compatibilă numai cu sistemele moderne , numerice , de monitorizare.
13.3 Măsurarea puteril or și a energiei electric e
13.3.1 Măsurarea puterii active
Prin definiție , puterea activă monofazată P se determină ca valoarea medie a
puterii instantanee p pe un interval de timp de măsurare T.
T T
tpTtiuTP
0 0d1d1
. (13.3)
În figura 13.5 este prezentat cazul regimului si nusoidal.
Echipamentele numerice utilizează, pentru determinarea puterii P, valorile
eșantionate Ui ale curbelor de tensiune u(t) și valorile eșantionate Ii ale curbelor de
curent electric i(t)
N
iiiIUNP
11
, (13.4)
în care N este numărul de e șantioane corespunzător intervalului de timp T conside rat.
386 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
t u
i p u
i
p
0 P =UIcos
Fig.13 .5 Definirea puterilor în circuite monofazate, liniare. S =UI
În regim deformant, p uterea activă poate fi determinată și pe baza
armonice lor de tensiune și de curent electric
1φcos
hh hhIU P
, (13.5)
în care Uh și Ih sunt valorile efective ale armonice lor de tensiune și , respectiv , de
curent electric, de rang h, iar h defazajul dintre curbele armonice de tensiune și
de curent electric, de rang h.
Exactitatea în determinarea puterii active P depinde , în mare măsură , de
numărul de eșantioane luate în considerație. Deoare ce, conform normelor actuale
[13.9], este necesar a lua în considerație armon ice până la rangul 40, rezultă că se
impune , conform teoremei lui Shannon, o eșantionare cu frecvența de cel puțin
4000 Hz. În sistemele actuale de măsurare se realizează o eșantionare cu frecvența
de cel puțin 6400 Hz (128 eșantioane pe o pe rioadă, ceea ce permite calculul
primelor 63 armonice și a component ei continue ).
Având în vedere variația mărimilor electrice în funcție de sarcină, procedura
actuală [13 .3] pentru determinarea armonice lor ia în considerație o fereastră de 10
perioade ale tensiunii alternative.
În sistemele trifazate, p uterea activă Ptr se obține prin adunarea algebrică a
puterilor înregistrate pe cele trei faze A, B și C
kk tr CBAk P P ,, ; . (13.6)
13.3.2 Măsurarea puterii reactive
Noțiunea de putere reactivă nu are o definiție unică în literatura de
specialitate , ceea ce impune o analiză atentă a algoritmului implementat în cadrul
echipamentelor de monitorizare a acesteia.
a) Puterea reactivă QB conform definiției Budeanu corespunde , în general ,
practicii europene
Măsurarea consumului de energie electrică 387
1φsin
hh hhBI U Q
. (13.7)
Relația (13 .7) poate fi scrisă și sub forma
)2/πφcos(
1
hh hhBIU Q
, (13.8)
ceea ce permite determinarea puterii reactive conform aceleași proceduri ca și
pentru puterea activă, dar eșantio anele de curent luate în considerație sunt defazate
cu /2
N
im NiiBIUNQ
1)4/(1
, (13.9)
În relația (13 .9), s-a notat cu m numărul de perioade ale tensiunii alternative
luate în calcul (cuprinse în cele N eșantioane).
Puterea reactivă trifazată
B
trQ rezultă ca sumă a puterilor reactive pe cele trei
faze A, B și C
kB
kB
tr CBAk Q Q ,, ;. (13.10)
b) Puterea reactivă Q conform definiției IEEE corespunde noțiunii de putere
fictivă F din practica europeană
2 2 2 2)( D Q P S QB , (13.11)
în care D este puterea deformantă, iar S puterea aparentă.
În echipame ntele care monitorizează puterea reactivă Q, aceasta se deter –
mină pe baza puterii aparente S.
13.3.3 Măsurarea puterii aparente
În circuitele monofazate, puterea aparentă S se determină ca produsul valo –
rilor efective U și I ale curbelor de tensiune ș i de curent electric
N
iiN
ii INUNIUS
12
12 1 1
. (13.12)
Puterea aparentă trifazată Str nu are o expresie unică. Din această cauză este
necesar să se cunoască algoritmul folosit pentru determinarea acesteia, în cadrul
echipa mentelor de monitorizare util izate. Chiar pentru cazu l simplu al unor mărimi
sinusoidale, sunt cunoscute patru definiții diferite ale puterii aparente trifazate. În
figura 13 .6 sunt definite puterea aparentă trifazată algebrică SA și puterea aparentă
trifazată geometrică SG, pentru ca zul general al unei încărcă ri inegale a celor trei faze
.;
C B AGC B AA
S S S SS S S S
(13.13)
Din relați ile (13 .13) și din
QA
PA SA SB
PA+PB QA+QB
PA+PB+PC P QA+QB+QC Q
Fig. 13 .6 Puter ea aparentă trifazată. SC
388 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
figura (13 .6) se poate observa faptul că întot deauna puterea aparentă trifazată
algebrică SA (suma modulelor fazorilor) are o valoare mai mare decât puterea
trifazată geometrică SG (modulul sumei fazorilor).
Având în vedere dificultăț ile în definirea puterii aparente trifa zate, în cazul
general al mărimilor distorsionate și nesimetrice, sunt utilizate și următoarele
definiții ale puter ii aparente trifazate :
puterea aparentă trifazată medie Smed
med med 1,1 1,13 I U Smed, (13.14)
în care
;3;3
C B AmedC B Amed
I I IIU U UU
(13.15)
puterea aparentă trifazată echivalentă
eeeIU S 3, (13.16)
în care
.3;3
2 2 22 2 2
C B AeC B Ae
I I IIU U UU
(13.17)
Existența unor definiții diferite ale puterii aparente trifazate necesită ca , la
monitorizarea acesteia , să fie cunoscut algoritmul implementat în echipamentul
utilizat.
13.3.4 Monitorizarea factorului de putere
Factorul de putere este o mărime importantă în stabilirea facturii de ene rgie
electrică a consumatorului; din această cauză este necesară cunoașterea algorit mu-
lui de calcul a l acestui a în cadrul echipamentului utilizat. Prin definiție, fatorul de
putere se determină ca raport dintre puterea activă și cea aparentă. Având în ve –
dere diferitele definiții ale puterii reactive și ale puterii aparente, precum și diferi –
tele concepții privind noțiunea de facto r de putere, pot să existe diferenț e ma ri între
indicațiile diferitelor tipuri de e chipamente de monitorizare, având implem entate
diferite algoritme de calcul al factorului de putere.
Ținând seama de faptul că , practic , la toate barele de alimentare a consuma –
torilor, cel puțin una dintre curbe, cea de curent electric sau cea de tensiu ne este
distorsionată, confuzia larg întâlnită dintre factorul de putere () și cosinusul
unghiului de defazaj () dintre cele două curbe (cos) poate determina importante
efecte asupra facturii de energie electrică .
Unghiul de defazaj poate fi definit nu mai dacă ambele curbe sunt sinusoi –
dale. Ca exemplu, în figura 13 .7 este indicat cazul unui receptor nelinear, alimentat
cu o tensiune practic sinusoidală și absorbind un curent electric având trecerea prin
Măsurarea consumului de energie electrică 389
valoarea zero , practic , la același moment cu curb a tensiunii (receptor rezistiv).
Calculul factorului de putere ca raport de puteri indică o valoare egală cu = PF =
0,69 ( Total Power Factor ), iar determinarea factorului de putere pe baza defaza –
jului dintre curbele fundamentale de tensiune și de curen t electric cos 1 = DPF =
1,0 (Displacement Power Factor ).
Voltage U [V]
500
250
0
250
500
Harmonic
Voltage Current
Frequency 49.97 RMS 231.3 21.61
Power Peak 328.1 45.46
KW 3.47 DC Offs et 0.0 0.12
KVA 5.00 Crest 1.42 2.10
KVAR 0.26 THD Rms 1.34 66.60
Peak KW 14.03 THD Fund 1.34 89.28
Phase 4° lag HRMS 3.1 13.47
Total PF 0.69 K Factor 17.64
DPF 1.00
Fig. 13.7 Determinarea factorului de putere î n circu itul unui receptor
nelini ar. 2.5 5.0 7.5 t [ms] 10.0 12.5 15.0 17.5 20
Current I [A]
100
50
0
50
100 2.5 5.0 7.5 10.0 t [ms] 12.5 15.0 17.5
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 h I [A]
15
10
5
Utilizarea informației privind factorul de putere în vederea îmbunătățir ii
acestuia , cu ajutorul bateriilor de condensatoare , poate conduce la importante
eforturi finan ciare inutile și daune în instalația de alimentare a furnizorului de ener –
gie electrică. Îmbunătățirea factorului de putere în prezența unei tensiuni care nu
este sinusoidală se realizează cu ajutorul unor echipamente de tip PFC ( Power
Factor Corrector ) care urmăr esc reducerea puterii fictive, p rin limitarea compo –
nentelor armonice și a puterii reactive QB.
Valoarea factorului de putere trifazat tr depinde , în mare măsur , de
algoritmul implementat în echipamentul de monitorizare, iar adoptarea deciziil or
pe baza acestei informații necesită cunoașterea , în detaliu, a relațiilor de calcul
390 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
utilizate pentru puterea aparentă și a modului în care este definit factorul de putere
(ca raport de puteri sau pe baza defazajului curbelor fundamentale de tensiune și de
curent electric). Întotdeauna, factorul de putere determinat ca raport de puteri este
mai mic în raport cu factorul de putere determinat pe baza defazajului cu rbelor d e
tensiune și de curent electric.
Deoar ece factorul de putere influențează nivelul facturii de energie electrică
a consu matorilor, cunoașterea algoritmului de calcul al acestuia prezintă o
importanță deosebită.
13.4 Măsurarea energiei consumate
Determinarea energiei consumate se face , în prezent , practic în toate
cazurile , cu ajut orul contoarelor numerice care integrează , în timp , mărimile calcu –
late: putere activă și putere reactivă. Multe dintre contoarele numerice actuale oferă
și alte informații privind caracteristicile consum ului de energie electrică: grafic de
sarcină, valori instantanee, maxime și minime al curenților electrici și tensiunilor
măsurate, setarea unor praguri, informații privind calitatea energiei electrice, ora
curentă etc. Schema de principiu a unui contor numeric este indicată în figura 11.8 .
Informațiile pr ivind curbele de curent electric sunt obținute prin intermediul
unor transformatoare de măsurare de curent electric exterioare TC A , TC B și TC C și
a unor transformatoare de măsurare de curent electric interioare TC m având ca
sarcină rezistoarele de măsurar e RC m . Tensiunile de la bornele rezistoarelor de
măsurare sunt transmise convertoarelor analog -numerice ale echipamentului.
Informațiile privind tensiunile de fază, în circuitele de joasă tensiune, sunt
obținute la bornele unor divizoare rezistive de te nsiune, aflate în interiorul echipa –
mentului.
Informați ile numerice privind mărimile mă surate sunt transmise procesorului
specializat care determină puterile și le integrează pentru a afișa energiile cores –
punzătoare. De asemenea, informațiile numerice sunt transmise blocului de calcul
al indicatorilor de calitate a energiei electrice. Valorile determinate ale energiilor
sunt corelate cu timpul și pot oferi informații privind graficul de sarcină.
Contoarele numerice actuale asigură stocarea , pe intervale mari de timp , a unui
număr important de date, utile în analiza caracteristicilor de consum ale utiliza to-
rului. Aceste date permit unui auditor să analizeze evoluția, în timp, a energiei
consumate și să rețină o serie de concluzii privind eficiența energ etică, prin
corelare cu nivelul producției realizate.
Datele afișate ale contorului pot fi transmise în exterior pentru a fi integrate
într-un sistem de monitorizare a întregului proces tehnologic.
Toate contoarele numerice indică valoarea integrată a put erii active pe baza
relației (13 .5).
Valoarea integrată a puterii reactive (energia reactivă) poate fi diferită în
funcție de algoritmul implementat pentru calculul acesteia . În acest sens , utiliza to-
rul trebuie să cunoască semnificația exactă a valorii indicată de contorul de ener gie
reactivă.
Măsurarea consumului de energie electrică 391
A
B
C
NL TC A TC B TC C
TC m
RC m DT
Convertor analog numeric cu 6 canale Uref
Ceas
Reset
Circuit de procesare a semnalelor
(DSP) specializat pentru calculul
energiilor Ceas Date
Alimentare circuite
electronice
Bloc de ieșire
(afișare, memorare, transfer în
exterior)
Fig. 13.8 Schema bloc a unui contor static de energie electrică.
13.5 Controlul automat al factorului de putere
În instalațiile în care tensiunea la barele de alimentare este sinusoidală și
simetrică controlul automat al factorului de putere per mite obținerea unor impor –
tante reduceri ale facturii de energie electrică prin eliminarea componentei de
energie reactivă.
Adoptarea ace stei soluții, necesită o analiză de detaliu a formei curbei de
tensiune la barele de alimentare și a nivelului de ne simetrie al sistemului trifazat, în
toate regimurile de funcționare , precum și realizarea unui calcul privind eficiența
investiției în echipamentul de control automat. În cele mai multe cazuri, recupe –
rarea investi ției, pentru acest tip de echipament, este sub un an, ceea ce recomandă
realizarea acesteia . Decizia privind efectuarea investiției și valoarea de consemn a
factorului de putere trebuie să aibă acceptul furnizorului de energie electrică,
necesitând o analiză a încadrării instalației de compensare în rețeaua electrică a
furnizorului.
Instalațiile pentru controlul automat al factorului de putere (fig. 13 .9), folosi –
te în prezent, în cea mai mare măsură în instalațiile de joasă tensiune, utilizează in –
formațiile privind defazarea curbelor de tensiu ne și curent electric de pe una dintre
faze (este posibilă și determinarea unghiului de defa zare prin analiza curbei curen –
392 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
tului electric de pe o fază și a curbei tensiunii dintre celelalte două faze) [13.9].
A B C N
BC
C1
C6 (C 12) TC IA
Circuit 1
Circuit N
Fig. 13.9 Schema de principiu a unei instalații de
control automat al factorului de putere (cos ).
Blocul de comandă BC stabilește valoa rea factorului de putere (cos ) și
cunoscând capaci tățile condensatoarelor celor 6 sau 12 trepte ale bateriei, conectea –
ză elementele necesare realizării fac torului de putere prescris.
Depășirea valorii prescrise a factorului de put ere conduce la deco nectarea
treptelor bateriei de condensatoare.
Conectarea treptelor bateriei de condensatoare cu ajutorul con tactoa relor
uzuale conduce la apa riția, în circuitul de alimentare , a unor curenți de foarte mare
amplitudine , dar de scurtă durată.
Regimul tranzitoriu are forma unei tensiuni sinusoidal -amortizate, cu
frecventa f0 = 3 15 kHz și poate determina curenti imax de până la 30 ori curentul
nominal al co ndensatorului, pe o durata de câ teva milisecunde (fig.13.10 ).
Conectarea ce lorlalte secții, atunci când prima este conectată , este însoțită de
un regim tranzitoriu, cuprinzând în principal două etape: într -o primă etapă are loc
un proces tranzitoriu cu o frecvență ridicată, între cele două condensatoare, urmat
de procesul tranzit oriu, cu o frecvență mai redusă, între cele două secții și rețeaua
electrică de alimentare. Valoarea de vârf a curentului tranzitoriu poate ajunge până
la 160 ori curentul nominal al condensatoarelor.
În prezent , există contactoare specializate, pentru con ectarea conden sa-
toarelor, asigurând curenți de vârf (o perioadâ) până la 12 kA la joasă tensiune și
70 kA la medie tensiune, cu 1 000 000 cicluri de inchidere/ deschidere.
Măsurarea consumului de energie electrică 393
u
ic
u ic
t
Fig. 13.10 Variația curentului ic prin contactor și a
tensiunii u la bornele bateriei, la conectarea primei
secții de condensatoare.
13.6 Sisteme de monitorizare SCADA
Sistemele SCAD A (Supervisory Control a nd Data Acquisition ) cuprind toate
dispozitivele de comandă, semnalizare și telemăsurare de la centrul de comandă și
toate echipamentele corespunzătoare , situate în instalațiile electrice. Obiectivul
principal al acestor sisteme est e de a oferi utilitatorului suficiente informații și
facilități de comandă pentru a exploata instalația electrică din subordine în condiții
de siguranță, securitate și economicitate. Se poate asigura o optimizare a
instalațiilor, creșterea eficienței de op erare și de mentenanță, cu o minimă
intervenție umană. Practic , un sistem SCADA oferă operatorului posibilitatea de
supraveghere, exercitare și confirmare a execuției comenzilor asupra unor
echipamente specifice [13.10].
Cel mai simplu sistem SCADA est e sistemul master -slave (denumit și sistem
de unu la unu), care constă dintr -un singur calculator coordonator, master, prevăzut
cu interfețe de dialog cu utilizat orul și de transmisii de date unități i slave, tip IED
(Intelligent Electronic Device ) sau RTU (Remote Terminal Unit ), plasat e în
apropierea punctului de măsurare, dotat e cu interfețe de proces (pentru intrări și
ieșiri analogice și numerice) și interfețe de comunicații (fig. 13 .11). Canalul de
comunicație este realizat prin circuit telefonic, radio sau cablu optic.
Unitățile electronice inteligente IED , cuprind unul sau mau multe
procesoare, cu porturi de comunicaț ie, cu capacitatea de a recepționa și transmite
informații , din și spre exterior (de exemplu, de la contoare numerice, relee nume –
rice, sisteme de control și automatizare). Acestea prelucrează local informațiile
achiziționate și asigură transmiterea lor la unitatea master de la dispecerul
energetic.
Unitățile terminale RTU sunt echipamente complexe, realizate în tehnologie
microprocesor, destinat achiziției și prelucrării datelor dintr -un proces, cu sistem de
operare și baza de date de timp real și cu posibilităti de transmitere la distanță a
acestora .
394 Instalații electr oenergetic e și elemente de audit industrial
COM
MODEM
Linie telefonică,
linie închiriată,
fibră optică, radio
COM MODEM COM MODEM Locația 1
Locația 2 Locația 3 IED-uri locale
(legături locale
RS 485)
Calculator master la
dispecerul energetic
Fig. 13.11 Schema de principiu a unui sistem SCADA cu trei
locații și un punct de dispecer energetic. RS 485 (max 1200 m)
IED-uri locale
(legături locale
RS 485) IED-uri locale
(legături locale
RS 485)
Unitățile terminale pot achiziționa, prelucra și controla m ărimi de orice
natură din proces, care pot fi convertite în mărimi electrice.
În cazul amplasamentelor relativ apropiate, legătura între punctul central și
echipa mentul terminal poate fi făcută cu circuit fizic prin intermediul interfeței RS
485.
În ca zurile practice structura unei sistem SCADA poate fi mai complex ă,
incluzând mai multe niveluri de ierarhizare a informațiilor și comenzilor, sisteme
redundante de funcționare , precum și mai multe puncte de acces la informație.
Bibliografie
[13.1] Golov anov Carmen, Albu Mihaela, Probleme moderne de măsurare în
electroenergetică , Editura Tehnică, București, 2001.
[13.2] *** Compatibilit é electromagnetique (CEM ), Part: 3. Limites Section 6:
Evaluation des limites d’ émission pour les charges d éformantes racord ées aux
réseaux MT et HT , Publication fondamentale en CEM 1000 -3-6/2005.
[13.3] *** Electromagnetic compatibility (EMC ) – Part 4 -7: Testing and measurement
techniques – General guide on harmonics and interharmonics measurements and
instrumentation , for power supply systems and equipment connected thereto , IEC
61000 -4-7/2002.
[13.4] Gauthier G., Le capteur d'intensité à effet Hall , RGE 5(84), 1984, pg. 288 292.
[13.5] Kojovuc Lj.A., Comparative performance characteristics of current transformer s
and Rogowski coils used for protective relaying purposes , PESMG, Tampa 2007,
Raport 001335.
[13.6] Kojovuc Lj.A., PCB Rogowski coils high precision low power sensors , CIGRE
2004, Raport A3 -102.
[13.7] Dupraz J.P., Rogowski coil : Exceptional current mea surement tool for almost any
application , PESGM, Tampa 2007, Raport 001238.
Măsurarea consumului de energie electrică 395
[13.8] *** DOIT Compact with POWER IT, Metering and Protection, ABB, Switchgear
AB, 1999.
[13.9] Golovanov N., Postolache P., Toader C., Eficiența și calitatea energiei electri ce,
Editura AGIR, București 2007.
[13.10] *** SCADA Software , Installation & Configuration Guide , Power Measurement
LTD .
14
CONSULTANȚA ELECTROENERGETICĂ,
ACTIVITATE HOTĂRÂTOARE PENTRU
EFICIENTIZAREA CONSUMULUI DE
ENERGIE ELECTRICĂ
14.1 Aspecte generale
Necesitatea consultanței energetice este determinată de situația deosebită
existentă în sectorul de consum final al ene rgiei electrice din țara noastră , în care se
impune creșterea performanței și reducerea consumuri lor de energie electrică.
Utilizarea eficientă a energiei electrice are importante consecințe tehnico –
economice și sociale, asigurând premizele unei dezvoltări durabile a țării .
Lipsa de preocupare privind eficiența energetică până în anul 1990 a făcut ca
unele întreprinderi să nu poată face față competitivit ății și concurenț ei, specif ice
economiei de piață , funcți onală de câteva decenii în celelalt e țări ale Uniunii
Europene. În acest domeniu exist ă decalajele , în defavoarea noastră, în raport cu
ceilalți participanț i pe piața lărgită din UE.
Printre domeniile cu decalaje se află și sectorul de consum final , în care se
hotărăște de fapt, soarta tuturor eforturi lor tehnice, economice și sociale, făcute în
sectoarele de producere, transport și distribuție . În acest sens , lucrarea de față se
referă direct la abordarea și rezolvarea unor probleme specifice sectorului de
consum final, iar activit atea de consultanță are o pondere importantă în cadrul
eforturilor pentru a face acest sector competitiv în cadrul Uniunii Europene.
Intensitatea e nergiei electrice , definită prin energia (în speță de energie
electrică) consumată pentru realizarea unei unități din PIB (Produsu l Intern Brut) ,
este încă relativ mare în România (fig. 14 .1) [14.1], ceea ce impune eforturi pentru
reducerea consumurilor de energie electrică. În figura 14 .1 se observă faptul că
intensitatea energiei electrice (calculată în funcție de schimb leu -euro) este practic
dublă față de țările din Uniunea Europeană (cu 15 sau 25 membri) și superioară
celor 10 țări nou intrate în UE. Valorile calculate în funcție de puterea de
cumpărare s unt practic egale cu cele ale ță rilor din UE.
În cadrul eforturi lor pentru r educerea intensității energetice , auditorii
energetici, precum și activitatea de consultanță au un rol importa nt.
396 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0 0,491
0,225 0,441
0,250 0,248 0,248 0,237 0,248
Româ nia NM 10 UE 25 UE 15
Fig. 14.1 Intensitatea energiei electrice (kWh/1000 Euro) în
anul 2005:
la cursul de schimb; la paritatea puterii de cumpărare.
Datele din figura 14 .1 indică posibilitatea eficientiz ării consumului de
energie electrică, iar aceasta impune pr ezența specialiștilor, a auditorilor energetici ,
pentru a asigura gospodărirea inteligentă a energiei și asigurarea condițiilor pentru
a face față concurenței pe piața lărgită a Uniunii Europene. În acest sens, a ctivitatea
de audit trebuie îmbinată cu o acțiune de consultanță electroenergetică ,
responsabilă și de înalt profesionalism.
14.2 Oportunitatea organizării consultanței electro –
energetice și locul acesteia în ansamblul
activităților de consultanță
Eficiența specifică tuturor ac tivităților social -economice, în condițiile
economiei de piață face ca întreprinderi le mici și mijlocii (IMM) să nu își poată
permite să aibă personal specializat în probleme de utilizare eficientă a energiei.
Pentru rezolvarea multiplelor probleme din dom eniul energetic este oportun și
justificat, să se apeleze pentru rezolvare, la specialiști din exteriorul firmelor
proprii, constituiți în firme de consultanță. Chiar și firmele de consultanță,
organizate pe domenii restrânse de specialitate, apelează, la rândul lor, pentru
rezolvarea unor probleme , pentru alte specialități, la consultanța corespunzătoare.
Astfel, se constată că există un complex de activități de consultanță, caracteristic
economiei de piață, care apar, se diversifică și se dezvoltă dar, cu precizarea
esențială, numai în funcție și în strânsă concordanță cu existența cererii, deci a
solicitărilor și a interesului beneficiarilor respectivi.
Preocuparea, din ce în ce mai accentuală, pentru eficiență economică
necesită cunoașterea modului în ca re se consumă energia electrică, a soluțiilor
pentru reducerea consumurilor specifice și, în consecință, a modului în care se
poate reduce factura de energie electrică [14.2].
Adoptarea unor măsuri eficiente pentru reducerea consumurilor de energie
electr ică devine deosebit de importantă odată cu intrarea țării noastre în Uniunea
Europeană pentru a face față concurenței pe piața europeană. Rolul auditorilor
energetici constă tocmai în sprijinirea utilizatorilor de energie electrică pentru
găsirea celor ma i bune soluții de creștere a eficienței în procesele de utilizare a
energiei elec trice.
Consultanța electroenergetică 397
De cele mai multe ori consultanța în domeniul electroenergetic prezintă
importante avantajele de natură tehnico -economică și socială pentru fiecare
consumator, iar un a udit realizat corect, complet și profesionist, oferă încredere
consumatorului în necesitatea realizării unui audit energetic și interesul său pentru
utilizarea rațională a energiei electrice, precum și pentru a respecta prevederile
legii 199/2000 . Auditul energetic, realizat periodic , realizează premizele unor
avantaje tehnico -economice.
14.3 Structura, organizarea și competențele
consultanței electroenergetice
Importanta acțiune de consultanță în domeniul electroenergetic necesită, în
etapa actual ă, o legislație adecvată pentru a contribui , în mod cât mai operativ și
mai direct, la eficientizare a consumului de energie electrică , ca cerință atâ t la
nivelul utilizatoril or de energie elec trică dar și ca interes al economiei naționale.
Factorul esenția l care garantează reușita îl reprezintă specialistul electro –
energetic, a cărui competență profesională și conștiinciozitate au un rol important.
Ținând seama că structura recepto arelor de energie electrică are un nivel de
tehnicitate și performanță din ce în ce mai complex este necesar ca fiecare auditor
să aibă o pregătire de bază superioară în domeniul electroenergetic și electrotehnic,
completată și actualizată la nivelul tehnologiei actuale a utilizatorilor de energie
electrică .
Un aspect deosebit de important al problemei îl reprezintă o evaluare a
dimensiunilor activității de consultanță electroenergetică, din țara noastră, pentru a
putea estima număr ul minim de auditori, care vor fi necesari . Un calcul estimativ
permite determinarea numărului necesa r de auditori. Astfel, dacă se consideră, ca
situație de plecare , numărul actual, numai pentru întreprinderile mici și mijlocii,
care, după datele publice , depășesc 400.000 (fără marii consumatori al căror număr
de circa 10.000 este în descreștere) se poat e imagina următorul raționament. Dacă
numai jumătate dintre cele 400.000 IMM -uri existente în prezent vor necesita
efectuarea unui audit la interval de trei ani (conform reglementărilor din legea
199/2000 ) ar urma să se întocmească anual circa 60.000 audit uri. În ipoteza că un
auditor realiz ează într -un an 6 audituri (două luni pentru un audit) rezultă că sunt
necesari circa 10.000 de auditori . Cum în prezent numărul existent de auditori
pregătiți și autorizați se consideră a fi sub 1.000 adică 10% , se pot constata,
greutățile în satisface rea solicitări lor tuturor consumatori lor, care ar cere
întocmirea de audituri, în vederea evaluării situației lor în domeniul utilizării
energiei electrice.
Pregătirea viitorilor specialiști, auditori electroenergetici, tre buie să fie o
prioritatea în programele de învățământ ale absolvenților facultăților de
specialitate.
În ceea ce privește organizarea activității de consultanță, desigur că și aici
pot exista mai multe variante, dar, ca în oricare acțiune, este indicat să se adopte
398 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
forma de organizare cea mai simplă și eficientă, prin care să se realizeze prima
cerință și anume să se dea posibilitatea ca cererea și oferta, adică consumatorul și
auditorul să se întâlnească ușor și , cu formalități simple, să treacă la desfășu rarea
activității propriu -zise. O astfel de formă de organizare, o pot constitui
întreprinderile de tip ESCO (care oferă servicii energetice) [14.3].
Se consideră faptul că o formă minimă de organizare instituționalizată oferă,
pe lângă pos ibilitatea de id entificare mai ușoară și un plus important de
credibilitate în această acțiune, care va avea desigur consecințe economice și
sociale importante, atât la scara energeticii naționale cât și la nivelul fiecărui
utilizator.
Este necesar să se acorde o deosebit ă atenție elaborării unei legislații , la
nivelul cerințelor actuale, prin perfecționarea legii 199/2000 .
Dotarea auditorilor cu echipamente performante de monitorizarea a
consumurilor energetice are un rol important în asigurarea premizelor unor
rezultate corespunzătoare ale unui audit.
Una dintre sarcinile importante ale auditorului energetic constă în urmărirea
implementării soluțiilor propuse, astfel încât activitatea depusă să fie eficientă și să
asigure reducerea reală a consumurilor de energie electri că.
14.4 Desfășurarea activității de consultanță
electroenergetică
Pentru creșterea eficienței activităților de consultanță în dom eniul
electroenergetic pot fi prezentate următoarele sugestii:
Desfășurarea activității trebuie să se fac ă permanent, pe baza unor principii
stabilite și reglementate la nivel național. Activitatea concretă a fiecărui consultant
(auditor), fie că acesta aparține unei întreprinderi de tip ESCO, fie că aparține unui
colectiv instituționalizat sau într -o firmă p roprie, depinde în primul rând, conform
legilor economiei de piață, de numărul de solicitări și de complexitatea unității
consumatoare de auditat.
În prima etapă, specialistul consultant poate acorda 80 90% pentru
elaborarea de lucrări de audit și r estul de 10 20% pentru consultații de
specialitate. Aceste consultații pt fi acordate, la cerere, unor consumatori diferiți
sau chiar consumatorilor pentru care au întocmit lucrările de audi t, în vederea
implementării măsuri lor propuse sau consultații din alte domenii de specialitate.
Dosarul pe care îl prezintă orice consumator la obținerea avizului de
alimentare cu energie electrică, să conțină și un document de expertiză de
specialitate, elaborat de un consultant electroenergetic. Consultantul treb uie să
ofere sprijin întreprinderii pentru toată perioada de realizare și punere în funcțiune.
Acest aspect trebuie să fie susținut printr -un act legislativ adecvat .
Întreprinderile cu investitori străini , indiferent de mărimea și specificul lor,
să intr e în competența consultanței electroenergetice autohtone. Această acțiune
trebuie să fie prevăzută în reglementă rile oficiale românești.
Consultanța electroenergetică 399
Consultanții (auditorii) trebuie să -și perfecționeze în mod continuu pregă –
tirea de specialitate, iar la intervale d e 3 – 5 ani să susțină teste pentru verificarea
pregătirii lor.
Activitatea de consultanță electroenergetică trebuie să fie monitorizată și
eficiența acesteia să fie evaluată de către organele naționale decizionale, care au
responsabilități, ca în toate celelalte țări din UE, în creșterea permanentă a
eficienței consumului de energie, respectiv, de energie electrică .
14.5 Rolul companiilor de tip ESCO
O companie de tip ESCO este un operator economic capabil să ofere o gamă
largă de servicii energetice: consultanță, audit energetic, proiectare pentru soluțiile
propuse de economisire a energiei electrice, obținerea finanțării pentru realizarea
proiectelor, procurarea echipamentelor adecvate, instalarea echipamentelor,
punerea lor în funcțiune.
Implicarea u nor consultanți cu experiență în domeniu, în diferitele etape ale
abordării problemelor energetice într -o întreprindere poate reduce semnificativ
riscurile în rezolvarea acestora și poate determina avantaje importante pentru
beneficiar. Deși costurile impl icării unor experți cu înaltă calificare sunt
importante, beneficiile rezultate pot fi mult mai mari.
Avantajul implicării companiilor de tip ESCO constă în faptul că riscul
acțiunilor privind economisirea de energie electrică se tranferă de la întreprinde rea
beneficiară la compania ESCO, un operator care știe să gestioneze riscurile în acest
domeniu. Aranjamentul financiar realizat de compania ESCO pentru investițiile
necesare, în general, se bazează pe economia rezultată în urma energiei neutilizată.
De c ele mai multe ori, beneficiarul nu este implicat în asigurarea fondurilor
necesare investiției.
Principalul document care stă la baza relației între beneficiar și compania de
tip ESCO este contractul de performanță prin care se realizează o corespondență
între nivelul economiilor obținute prin măsurile propuse și implementate de
compania ESCO și plata serviciilor prestate pentru beneficiar. În principiu,
contractul de performanță trebuie să indice modul de împărțire a beneficiilor
datorate economiei de ener gie rezultată în urma măsurilor adoptate, pe baza unui
algoritm stabilit în comun.
Dezvoltarea proiectelor de eficiență energetică impune o cunoaștere
profundă a reglementărilor în vigoare și o cunoaștere de detaliu a problemelor
specifice tehnologiilor di n industrie. În acest sens, implicarea experților externi, în
special în cadrul întreprinderilor mici și mijlocii, care nu au posibilitatea angajării
unui spec ialist în acest domeniu, reprezintă o soluție pentru reducerea riscurilor
asociate.
Accesarea fo ndurilor necesare dezvoltării de proiecte de eficiență energe –
tică, în general de anvergură relativ redusă, implică, de multe ori, gruparea
proiectelor pentru a obține o investiție atractivă pentru mediul bancar. Compania de
tip ESCO are, în general, exper tiza necesară realizării aranjamentelor financiare
pentru obținerea fondurilor de investiție pentru proiectele de eficiență energetică.
400 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
14 .6 Concluzii
Din analiza făcută asupra rolului consultanței electroenergetice, ca factor
important și permanent în e conomia de piață, pentru eficientizarea c onsumului de
energie electrică rezultă că, în absența acestei activități, pot apărea consecințe
defavorabile legate de competitivitatea produselor românești pe piața europeană .
Deoarece rolul activității de consulta nță electroenergetică este de mare
actualitate și de neînlocuit în creșterea eficienței în utilizarea energie i electrice ,
este stringent necesar ca organismele competente și responsabile în domeniul
energiei, printr -o legislație clară, concretă, cât mai cu rând posibil, să treacă la
organizarea acestei activități, la nivelul necesităților actuale și de perspectivă, cu
toată responsabilitatea profesională și socială , astfel ca specialiștii români să -și
aducă contribuția la creșterea reducerea consumurilor de energie.
Bibliografie
[14.1] *** Strategia energetică a României pentru perioada 2007 -2020, Legea 1069/2007
[14.2] Leca A., Mușatescu V., Managementul energiei , Editura AGIR, București, 2006.
[14.3] *** Action Plan for Energy Efficiency : Realising the Potential , Commission of the European
Communities, Brussels, COM(2006)545 .
15
TEHNICA SECURITĂȚII MUNCII
ÎN ÎNTREPRINDERI
15.1 Aspecte generale
Instalațiile de legare la pământ ale echipamentelor electrice, liniilor electrice ,
stații lor și posturi lor de transformare se definesc ca fiind ansamblul de electrozi
orizontali și verticali , precum și conductoarele care fac legătura între aceștia sau
între echipamentele electrice și priza de pământ, prin care se realizează un contact
cu pământul al unor elemente din c onstrucția instalațiilor electrice. Prin legarea la
pământ a in stalațiilor electrice se urmăresc îndeplinirea următoarelor cerințe:
Realizarea cond ițiilor tehnice necesare regimurilor de funcționare ale
rețelelor electrice:
legarea la pământ a punctului neutru, direct, prin bobină de
compensare sau rezistor;
legarea la pământ a unui conductor și închiderea unui circuit electric
prin pământ în regim normal de funcționare (cazul rețelelor monofazat e de tensiune
alternativ ă pentru tracțiunea electrică);
legarea la pământ a conductorului neutru și de protec ție PEN la
punctul neutru al rețelei (cazul rețelelor electrice trifazate de joasă tensiune cu
patru conductoare sau cinc i conductoare );
Protecția persoanelor împotriva electrocutării prin atingere directă sau
atingere indirectă a instalațiilor aflate s ub tensiune;
Protecția instalațiilor electrice, construcțiilor și persoanelor împotriva
supratensiunilor de trăsnet ;
Executarea lucrărilor de mentenanță în instalațiile electrice, situație în care
acestea se leagă la priza de pământ prin scurtcircui toare mobile sau prin închiderea
cuțitelor de legare la pământ (c.l.p.) ale separatoarelor.
În România, cerințele enumerate se realizează , de regulă, utilizând o singură
instalație de legare la pământ. Această instalație trebuie să corespundă condițiilor
impuse de fiecare cerință în parte; de obicei condițiile cele mai severe sunt impuse
de protecția persoanelor împotriva electrocutării.
În raport cu instalația de legare la pământ , rețelele electrice se pot clasifica
astfel:
402 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
a) După modul de tratare al punc tului neutru :
rețele electrice cu neutrul izolat (simbol I), din care fac parte rețelele
electrice cu neutrul nelegat la pământ sau cele cu neutrul legat la pământ prin
bobină de compensare;
rețele electrice cu neutrul legat la pământ (sim bol T, de la cuvântul
francez „terre" ), din care fac parte rețelele cu neutrul legat direct la pământ (efectiv
în instalațiile de înaltă tensiune și rigid în instalațiile de joasă tensiune) și rețelele
cu neutru l legat la pământ prin rezistor;
b) După metoda de protec ție folosită împotriva accidentelor prin electro –
cutare :
rețele electrice la care protecția se face prin legare la pământ (simbol T);
rețele electrice la care legarea de protecț ie se face la conductorul
neutru (simbol N);
Conform clasificări lor de mai sus , instalațiile electrice pot fi:
instalații de tip IT –cu neutrul izolat sau compensat, în care metoda de
protecție de bază este legarea la pământ;
instalații de tip TT – cu neutrul legat la pământ, în care metoda de protecție
de bază este le garea la pământ;
instalații de tip TN –cu neutrul legat la pământ, în care metoda de protecție
de bază es te leg area la conductorul neutru .
Rețelele electrice cu tensiunea nominală Un > 1000 V pot fi din pri mele două
categorii (IT și TT): la aceste rețe le metoda de protecție împotriva electrocutării
este legarea la pământ .
Rețelele electrice de joasă tensiune ( Un ≤ 1000 V) , construite în România,
sunt de regulă de tip TN, dar pot fi și de tip IT sau TT.
15.2 Aspecte teoretice
15.2.1 Electrocutarea ș i efectele trecerii curentului electric
prin corpul uman
Accidentele prin electrocutare sunt de două tipuri, în raport cu modul de
producere al contactului cu elementele din construcția instalațiilor electrice:
a) Prin atingere directă , atunci c ând omul atinge un element al instalației
electrice aflat , în mod norma l, sub tensiune . Statistic , accidentele datorită atingerii
directe reprezintă 70% din totalul accidentelor prin electrocutare, având drept cauze
neatenția sau utilizarea de echipamente și scule necorespunzătoare.
b) Prin atingere indirectă , atunci când omul atinge un element al instalației
electrice care nu se găsește , în mod normal , sub tensiune , dar care poate intra
accidental sub tensiune ca urmare a unor defecte.
Tensiu nea aplicată o mului este numită în general, tensiune de atingere , iar în
cazul atingerii simultane a două puncte aflate la potențiale diferite pe sol sau pe
pardoseală, în urma unei trecerii curentului electric , ca tensiune de pas .
Principalele e fecte ale trecerii curen tului electric prin corpul uman sunt:
Tehnica securității muncii în întreprinderi 403
a) Șoc electric efectul patofiziologic al unui curent electric ce t rece prin
corpul uman. Curentul electric afectează , în mod esențial , funcțiile respiratorii,
funcționarea inimii și circulația sângelui.
Standardele SR CEI 479 1 [15.1] și SR CEI 479 – 2 [15 .2] define sc patru
zone de amplitudine/timp a le curentului electric , în fiecare apărând efecte pato –
fiziologice diferite (fig. 15.1).
a b
AC 3 AC 2 AC 1 AC 4-1 AC 4
AC 4-3 c1 c2 c3
AC 4-2 t
[ms]
5000
2000
1000
500
200
100
50
20
10 0,1 0,2 0,5 1 2 5 10 20 50 100 200 500 I mA]
Fig. 15.1 Zone timp -curent privind efectele curentului electric de 50 Hz.
Descrierea completă a efectelor fiziologice la trecerea curentului de 50 Hz,
care se închide între mâna stângă și picioar e, este prezentată în tabelul 15 .1.
b) Electrotraumatism ul, care constă în arsuri locale (sub acțiunea directă a
curentului electric) sau arsuri extinse pe suprafața corpului (sub ac țiunea arcului
electric), metalizarea pielii (prin particule pulverizate de acți unea arcului elec tric),
„mărci electrice” (pete de culoare cenușie sau gălb uie, de formă rotundă sau ovală
etc.).
Statistic, șocurile electrice reprezintă 80% din cazurile de electrocutare (în
mai mult de 55% din cazuri sunt însoțite de traumatisme) și constituie cel mai mare
pericol pentru viața accidentaților (85 87% din tre cazuri mortale).
Trebuie specifica t faptul că nu tensiunea aplicată organismului este pericu –
loasă, c i valoarea curentului electric care îl străbate, mai ales dacă traseul cuprinde
și inima sau puncte de mare sensibilitate nervoasă [15.3].
15.2.2 Parametrii electrici ai corpului uman
Corpul uman, privit ca element de circuit electric , se co mportă ca un
ansamblu de impedanțe grupate mixt, serie și paralel, în care predomină rezistența
electrică.
Rezistența electrică totală a corpului uman, depinde de rezistența electrică a
stratului din piele. Rezistența electrică Rp a pielii poate fi exprima tă prin relația:
404 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
SdRpρ, (15.1)
în care este rezistivitatea electrică a pielii , corespunzăt oare suprafeței de contact ;
d grosimea pielii; S aria suprafeței de contact.
Tabelul 15 .1
Zone timp -curent pentru un curent electric alterna tiv de 50 Hz
Denumirea
zonei Limitele zonei Efectele fiziologice
AC 1 Până la 0,5 mA
Linia a În mod normal, nici o restricție.
AC 2 De la 0,5 mA până la
linia b*) În mod normal, nici un efect fiziologic periculos.
AC 3 De la linia b la curba
c1 În mod norm al, nici un pericol organic. Pentru durate de
trecere a curentului mai mari de 2 s, probabilitate de con –
tracții muschiulare și dificultăți de respirație.
Perturbări reversibile în formarea și propagarea impul su-
rilor cardiace, inclusiv fibrilație auricu lară și opriri tem po-
rare ale inimii, fără fibrilație ventriculară, care se ampli fi-
că cu creșterea intensității curentului și a timpului.
AC 4 În dreapta curbei c3 Creșterea intensității curentului și a timpului pot produce
efecte patofiziologice, ca, de exemplu, oprirea inimii, a
respi rației, arsuri grave.
AC 4-1 c1 – c2 Probabilitate de fibrilație ventriculară până la 5% .
AC 4- 2 c2 – c3 Probabilitate de fibrilație ventriculară până la aproximativ
50%
AC 4- 3 Dincolo de curba c Probabilitate de fibrilație ventriculară mai mare de 50% .
*) Pentru durate de trecere a curentului electric mai mici de 10 ms., limita intensității curentului
care trece prin corp pentru linia b rămâne constantă și egală cu 200 mA.
Valorile și d pot fi extrem de dif erite nu numai pentru persoane diferite,
dar chiar și la aceeași persoană; e le pot să se modifice în limite largi, în raport cu
locul contactului.
Impedanța conductorului electrobiologic, numită și impedanța biologică Zh,
este o combinație de rezistențe electrice R și reactanțe capacitive 1/C, care se
poate scrie sub forma:
2 22
ω1
CR Zh
, (15.2)
în care C reprezintă capacitatea electrică totală a corpului uman, compusă dintr -o
capacitate electrostatică care apare la aplicarea unei tensiuni pe suprafața exterioară
a pielii și o capacitate de polarizare datorate fenomenului de polarizare la trecerea
curentului electric prin organismul uman.
Schema electrică echivalentă a impedanței biologice între două puncte de
contact ale pielii este indicată î n figura 15 .2.
În calculele practice se neglijeaz ă influența capacităților , astfel încât , în final ,
impedanța biologică este considerată ca o rezistență electrică echivalentă .
Intensitatea Ih a curentului electric c e trece prin organism poate fi exprimată
aproximativ prin relația:
Tehnica securității muncii în întreprinderi 405
hhhRUI, (15.3)
în care Rh este rezistența electrică totală a corpului uman, iar Uh tensiunea apli-
cată organismului.
Rezistența electrică totală a corpului uman
se compune , pe de o parte , din rezistența
electr ică a pielii și a țesuturilor profunde ale
acesteia, numită rezistență exterioară și , pe de
altă parte, rezistența organelor interne, numită
rezistență interioară. Rezistența totală a corpului
uman se consideră a avea o valoare medie egală
cu 3000 la ten siune alternativ ă și circa 5000
la tensiune continuă .
Dacă tensiunea aplicată are o valoare
cunoscută și deci măsurabilă, nu același lucru se poate afirma despre rezistența
electrică exterioară a conductorului electrobiologic care se modifică în limite
extrem de largi, în raport cu o serie de factori: valoarea tensiunii aplicate, locul de
pe corpul uman în care se produc contactul cu sursa de tensiune, aria suprafeței de
contact, presiunea de contact, umiditatea mediului înconjurător, durata de acțiune a
curentului electric .
15.2.3 Fenomene ce apar la închiderea unui circuit electric
prin pământ
Într-un circuit electric, care se închide prin pământ, se stabilește un curent
electric de scurgere numit curent electric de defect (curent electri c de punere la
pămâ nt sau curent electric de scurtcircuit).
Străpungerea izolației sau închiderea circuitului electric prin pământ , însoțit
de circulația curent ului electric în pământ (a curentului electric de defect), modifică
starea inițială a circuitul ui electric.
Un mijloc tehnic pentru a obține o rezistență electrică redusă pe circuitul
curenților electrici de defect spre pământ îl constituie utilizarea prizei de pământ .
Priza de pământ este un dispozitiv care realizează o legătură electrică conducto are
direct ă cu pământul, fie a unor puncte ale rețelelor și circuitelor electrice, fie a păr –
ților metalice ale echipamentelor sau aparatelor electrice, precum și a elemen telor
din construcția instalațiilor electrice care, în mod normal , nu sunt sub tens iune.
Atunci c ând printr -o priză de pământ sau printr -un conductor sub tensiune în
contact cu pământul trece un anumit curent electric de scurgere la pământ Ip ,
potențialul prizei respective sau a conductorului , cât și potențialul pământului din
vecinăta tea acesteia se modifică , condiție în care se poate determină tensiunea
prizei de pământ Up cu relația
p p p p RI V V U 0 , (15.4)
definită ca fiind diferența dintre potențialul maxim al prizei Vp și potențialul V0 al
unui punct de pe pământ suficien t de depărtat , de potențial nul . Contact 1 Contact 2
R1
C1 R2
C2
R3 Țesut Piele Uh Ih Ih
Fig. 15 .2 Schema electrică echiva –
lentă a circuitului electric prin
organismul uman.
406 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
Mărimea Rp , calculată ca raport ul dintre tensiunea prizei și curentul electric
de defect care trece prin priză, reprezintă rezistența electrică de dispersie a acesteia
și are expresia:
pp
pIU
R
. (15.5)
Rezistența electrică de dispersie reprezintă de fapt rezistența electrică a
pământului între electrodul prizei de pământ și zona de potențial nul .
În practică, electrozii prizel or de pământ au diferite forme și , în funcție de
modul de îngropare , prizele de pământ pot fi de suprafață sau de adâncime.
Prizele de pământ de adâncime sunt acelea la care electrozii sunt îngropați
vertical la o adâncime mai mare de 0,5 m până la câțiva metri, considerată de la
capătul superior al electrozilor până la suprafața sol ului. Prizele de pământ de
suprafață sunt acelea la care electrozii sunt îngropați la o adâncime de 0,3 1,2 m.
Suprafața pământului din jurul unei prize de pământ, până la zona de
potențial nul , se numește zonă de influență a prizei de pământ.
În caz ul în care solul este omogen și priza de pământ are o configurație
cilindrică, d istribuția tensiunii este concentrică în raport cu priza de pământ
parcursă de curentul electric de defect Ip .
În cazul în care un om atinge cu mân a carcasa metalică a unui e chipament ,
legată la priza de pământ și parcursă de curentul electric de defect , el va fi supus
unei diferențe de potențial, numită tensiune de atingere (fig. 15 .3).
p a k p a Uk V V U . (15.6)
Electrocutarea datorită tensiunii de pas se produce în ca zul în care un om
(sau animal) pătrunde într -o zonă care se află sub influența potențialului prizei de
pământ parcursă de curentul de defect:
p pas k k pas U k V V U 2 1 . (15.7)
În relațiile (15.6) și (15 .7), s -au notat cu ka și kpas factorii de atingere și
respectiv de pas ( ka și kpas 1), Vk – potențialul punctului k pentru care se
calculează factorul de atingere; Vk1 și Vk2 – potențialele punctelor k1 și k2 pentru
care se calculează factorul de pas.
Electrocutarea prin atingere indi –
rectă poate avea loc datorită tensiunii de
atingere Ua sau a tensiunii de pas Upas .
Valorile maxime admise pentru
tensiunile de atingere și de pas în instala –
țiile electrice de medie și de înaltă ten siu-
ne sunt stabilite în funcție de tipul re țelei,
tipul echipamentului, zona de ampla sare și
timpul de întreru pere a defectului [15.4].
15.3 Protecția la electrocutare
15.3.1 Protecția împotriva electrocutărilor prin atingere directă
Instalațiile și echipamentele electrice trebuie să aibă elementele , aflate în
mod normal sub tensiune , inaccesibile unei atingeri întâmplă toare. Id
Rp
Vp Vk Vk1 Vk2
Fig. 15 .3 Tensiunea de atin gere și tensiunea
de pas.
Tehnica securității muncii în întreprinderi 407
Aceasta se poate realiza prin adoptarea uneia sau a mai multor măsuri din tre
cele prezentate mai jos :
izolarea electrică a tuturor elementelor conductoare de curent electric, care
fac parte din circuitele curenților electrici de lucru;
folosirea carcaselor și împrejmuirilor de protecție;
amplasarea elementelor aflate sub tensiune la înălțimi care , în mod normal ,
sunt inaccesibile;
folosirea unor blocări electrice sau mecanice care să nu per mită accesul
persoanelor neautorizate la elementele aflate sub tensiune.
folosirea unor pardoseli electroizolante sau acope rirea acestora cu
materiale electroizolante;
Pentru protejarea persoanelor care , prin atribuțiile lor , trebuie să lucreze
direct l a elementele conductoare ce fac parte din circuitele curenților electrici de
lucru, la mijloacele pre zentate mai sus se mai adaugă măsuri specifice, prevăzute în
normele de securitate a muncii.
15.3.2 Protecția împotriva electrocutărilor prin atingere ind irectă
Protecția împotriva tensiunilor periculoase prin atingere indirectă este
realizată, în primul rând , prin construcția corespunzătoare a echipamentelor
electrice, în ceea ce privește izolarea elementelor care fac parte din circuitul
curenților electrici de lucru. Această măsură nefiind , totuși , suficientă pentru
evitarea accidentelor datorate atingerilor indirecte , se folosesc următoarele metode
principale de protecție:
protecția prin legarea la pământ;
protecția prin legarea la conductorul neu tru.
15.3.2.1 Protecția prin legare la pământ
Protecția prin legare la pământ este specifică instal ațiilor electrice cu
tensiunile nominale mai mari de 1 kV, în rețele electrice cu trei conductoare. Dacă
se realizează o legare la pământ (stabilirea în m od voit a unui contact electric cu
pământul ), curen ții electrici de defect se închid prin circuitul de legare la pământ a
sursei de alimentare (instalația care stabilește în mod voit legătura cu pământul a
unor elemente care fac parte din circuitele curenț ilor electrici de lucru ), în cazul
rețelelor el ectrice cu neutrul legat pământ sau prin izola ția și capacită țile fa ță de
pământ ale celorlalte faze ale re țelei, pentru re țelele cu neutrul izolat fa ță de
pământ.
Indiferent de tipul rețelei, în cazul unui de fect al izolației faț ă de o carcasă
legată la o priză de pămân t (instalație de legare la pământ de protecție) , se stabi –
lește un curent electric de defect care trece la pământ prin rezistența electrică riz a
izolației deteriorate, rezistența electrică a prizei de pământ Rp și rezistența electrică
Rh pe care o prezintă omul (fig. 15 .4).
O instalație de legare la pământ de protecție asigură, în mod voit , legătura
cu pământul a unor elemente conducătoare, care nu fac parte din circuitele curen –
ților electrici de lucru, dar care accidental s -ar putea găsi sub tensiune .
408 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
A
B
C
Id
riz
Rp Ih Id
riz
Ip Ip
Rp Ih
Rh Ua
a) b)
Fig. 15.4 Circuitul curentului electric de defect la
deteriorarea izolației față de pămâ nt a fazei unui motor
electric:
a) circuitul electric; b) schema electrică echivalentă.
Rezistența electrică totală Rd a circuitului la pământ , la locul defectului, este :
h ph p
iz dR RRR
r R
. (15.8)
Curentul electric de defect Id este:
h ph p
izA
dAd
R RRRrU
RUI
,
(15.9)
în care UA este tensiunea între faza A , pe care are loc defectul și pământ.
Curentul electric c e parcurge corpul omului este:
h pp
d hR RR
I I
. (15.10)
Dacă omul se află cu mâna pe carcasa utilajului electric și cu picioarele l a un
potențial nul, tensiunea de atingere la care este supus va avea valoarea maximă :
h ph p
d h h aR RRR
I RI U
. (15.11)
Curentul electric Ip ce parcurge instalația de legare la pământ are valoarea:
h phd pR RRI I. (15.12)
Dacă se neglijează rezi stența electrică Rp în raport cu rezistența electrică Rh,
deoarece rezistența electrică a prizei de pământ este cu mult mai mică decât
rezistența electrică a omului, se obține Ip Id și deci:
p p a RI U , (15.13)
adică tensiunea de atingere este determinată direct de curentul electric de defect și
de rezistența electrică a prizei de pământ.
Tehnica securității muncii în întreprinderi 409
Rețea electrică cu neutrul izolat
Datorită defectării rezistenței de izolație a fazei A față de carcasa utilajului,
se stabilește un curent de defect car e se scurge la pământ prin rezistența electrică a
izolației defecte riz, rezistența electrică a instalației de legare la pământ Rp și
rezistența electrică a omului Rh (fig. 15 .5).
A
B
C
Id
riz
Rp Ih
riz Ip
Id
Rp Ip
Rh Ua a)
b)
Fig. 15.5 Circuitul curentului electric de defect la deteriorarea izolației față
de pămâ nt a fazei unui motor electric, într -o instalație cu neutrul izolat:
a) circuitul electric; b) schema electrică echivalentă. Riz C p Riz C p Riz C p
IdC IdB Ih ; Rh
Ip Id
Riz C p Riz C p Riz C p Ih A
B
C
Din schema electrică , indicată în figura 15.5 (sistem de tip IT) , rezultă că
rezistența echiva lentă Re la locul de d efect este dată de relația (1 5.8).
Curentul de defect Ip (punere la pământ ), în funcție de tensiunea de linie U,
cu neglijarea reactanțelor capac itive ale conductoarelor față de p ământ, este:
iz epr RUI23
. (15.14)
Tensiunea de atingere are valoarea:
hh e p a IR RI U . (15.15)
Componenta activă a curentului electric c e trece prin instalația de legare la
pământ (s -a neglijat rezistența izolației defecte riz), est e:
iz p pep par RU
RRI I33
. (15.16)
410 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
În situația în care re zistența de izolație a rețelei riz este infinită, iar
capacitatea electrică a rețelei , față de pământ , nu poate fi neglijată (cazul rețelelor
electrice de medie tensiune), curentul electric c e trec e prin om este de natură
capacitivă. Prin înlocuirea rezistenței de izolație riz cu reactanța capacitivă Xp , în
relația de calcul a curentului electric de punere la pământ , prin rezistența electrică a
instalației de legare la pământ Rp rezultă ,
p pf
iz pf
pcjX RU
r RU
I
33
33
. (15.17)
Valoarea efectivă a componentei capacitive a curentului de defect , în funcție
de tensiunea de linie U se obține sub forma :
2 2 2ω91ω3
p pp
pc
RCUC
I
. (15.18)
În rețelele electrice cu neutrul izolat față de pământ se poate obține o
protecție foarte bună cu ajutorul instalațiilor de legare la pământ, dacă sunt
îndeplinite următoarele condiții:
rezistența electrică a instalației de legare la pământ Rp să fie suficient de
mică , astfel încât curentul electric de defect să se închidă , în cea mai mare parte ,
prin aceasta și mai puțin prin rezistența electrică Rh a omului;
alegerea domeniului de reglare a aparatelor de protecție în vederea
deconectă rii sectorului defect într -un timp cât mai scurt;
legarea la rețeaua comună de protec ție a tuturor părților metalice ale
aparatelor, echipamentelor și elementelor din construcția instalațiilor electrice.
Rețea electrică cu neutrul legat direct la pământ
În cazul unui defect al izolației față de carcasă , în rețeaua electrică ce
alimentea ză un echipament legat la priza de pământ cu rezistența electrică Rp
(sistem de tip TT) , se stabilește un curent electric c are parcurge rezistența electrică
riz a fazei defecte, rezistența electrică Rp a legăturii la pământ de protecție ,
rezistența electri că Rh a omului , rezistența electrică R0 a legăturii la pământ de
exploatare și se închide l a sursa de alimentare a rețelei (fig. 15 .6).
Curentul electric de defect este :
h ph p
izf
d
R RRR
R rU
I
0
,
(15.19)
în care Uf este tensiunea de fază a rețelei.
Cure ntul electric ce parcurge instalația de protecție (legătura la pământ) are
valoarea:
h phd pR RRI I. (15.20 )
Deoarece rezistența electrică a instalației de legare la pământ Rp este cu mult mai
mică decât rezistența electrică a corpului uman Rh , poate fi neglijată în numitorul
expresiei (15.20).
Tehnica securității muncii în întreprinderi 411
A
B
C
Id
riz
Rp Ih ; Rh
Id riz
Ip Ip
Rp Ih
Rh Ua
a) b)
Fig. 15.6 Circuitul curentului electric de defect la deteriorarea
izolației față de pămâ nt a fazei unui motor electric, într -o rețea
electrică cu neutrul legat la pământ:
a) circuitul electric; b) schema electrică echivalentă. R0 Uf
Id Id Id Uf
R0 Ua0 Id
Dacă se neglij ează ș i rezistența electrică riz , ceea ce corespunde cazului cel
mai nefavorabil, relația (15.19) devine:
pf
d pR RU
I I
0
. (15.21)
Tensiunea maximă la care poate fi supus omul în cazul atingerii carcasei
echipa mentului defect este:
pp
f p p aR RR
U RI U
0
. (15.22)
Din relația (15 .22) s e constată că valoarea curentului electric ce trece prin
instalația de legare la pământ depinde de cele două rezistenț e electrice , a instalației
de protecție Rp și de exploatare R0.
Pentru a se obține o protecție ridicată în cazul unei atingeri indirecte a unui
element din instalație , ajuns accidental sub tensiune, este necesar ca valorile Rp și
R0 ale acestor instalații să fie foarte mici. Acest lucru este uneori deosebit de greu
de realizat astfel încât aplicarea acestei meto de de protecție este mai eficientă cu
adoptarea unor măsuri suplimentare, ca de exemplu:
folosirea mijloacelor individuale de protecție și scule electroizolante în
activitatea de exploatare;
izolarea amplasamentelor între om și pământ prin folosirea de platforme
izolante, covor așe sau preșuri electroizolante etc.;
realizarea unor prize suplimentare de egalizare și dirijare a potențialelor,
care se racordează la instalația de legare la pământ de protecție.
15.3.2.2 Protecția prin legare la conductorul neutru
Această metodă de protecție se utilizează în rețelele electrice de joasă
tensiune cu patru conductoare, numit sistem TN -C, în care conduc torul neutru și
412 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
conductorul de protecție formează un singur conductor PEN . Principiul protecției ,
prin legarea carcaselor echipamentelor la co nductorul neutru al rețelei de
alimenta re, este prezentat în figura 15.7 .
A
B
C
PEN
Id
riz
a)
Fig. 15.7 Principiul protecției conductorul prin legare la conductorul neutru
(sistem de tip TN -C):
a) circuitul electric; b) schema electrică echivalentă. R0 Id
Id Id A
PEN
RPEN Rf
XPEN =LPEN Xf =Lf
riz
a) K
În cazul u nui defect de izolație apare un curent electric de defect a cărei
intensitate este:
n ff
dR RU
I
, (15.23)
în care Uf este tensiunea fazei defecte; Rf rezistența electrică a conductorului
fazei defecte, de la sursă până la l ocul de defect; RPEN rezistența electrică a
conductorului PEN prin care se închide curentul de defect.
Dacă intensitatea curentul ui electric de defect este suficient de mare,
protecția la supracurent , asigurată de contactorul K, va acționa și va scoate utilajul
de sub t ensiune. Pe ntru ca protecția să fie eficientă , este necesar ca deconectarea
echipa mentului defect să aibă loc într -un timp mai scurt de 0,2 s, astfel încât
tensiunile de atingere să nu poată avea o acțiune gravă asupra omului.
În practică se pot ivi cazu ri când realizarea protecției conform schemei din
figura 15 .7 poate conduce la apariția unui pericol de accidentare , datorat tocmai
instalației de protecție. În figura 15 .8 este prezentat exemplul unei rețele care
alimentează receptoare trifazate și monofa zate (sistem de tip TN -C). Dacă con –
ductorul PEN se întrerupe în punctul A, carcasele receptoarelor , conectate în aval
de acest punct , ajung , în caz de defect, la tensiunea de fază. Din acest motiv, lega –
rea carcaselor la pământ trebuie realizată printr -un conductor de protecție PE,
diferit de conductorul neu tru, așa cum se arată în figura 15 .9 (sistem de tip TN -S,
prin separarea conductorului neutru N, parcurs de curent electric în regim normal
Tehnica securității muncii în întreprinderi 413
de funcționare, și conductorul de protecție PE) . Pentru a se evita greșelile de
montare cele două conductoare , conductorul neutru N și conduc torul de protecție
PE prezintă izolații de culori diferite, conductorul neutru este alb sau cenușiu, iar
cel de protecție este galben sau verde.
A
B
C
PEN
Fig. 15.8 Pericol de electrocutare la folosirea
conductorului PEN pentru protecție. R0 A
K
A
B
C
N
PE
Fig. 15.9 Sistem de protecție cu conductor neutru N
și conductor de protecție PE (sistem de tip TN -S). R0 A
K
În figura 15 .10 se prezintă modul concret de realizare a instalațiilor de
protecție prin legare la pământ (sistem de tip TN -C până la tabloul de distribuție și
de tip TN -S, după tabloul de distribuție) . Pentru a se evita pericol ul de accidentare,
nu este permisă folosirea siguranțelor fuzibile sau a altor mijloace de protecție în
circuitul conductorului de protecție.
Neutrul rețelei de joasă tensiune se conectează în apropierea postului de
transformare la o priză de pământ :
separată de priza de pământ a postului de transformar ,e în cazul rețelelor
de medie tensiune cu neu trul izolat sau tratat prin bobi nă de compensare ;
separată de priza de pământ a postului de transformar ,e în cazul rețelelor
de medie tensiune cu neu trul izol at sau tratat prin bobi nă de compensare ;
414 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
A
B
C
PEN
Fig. 15.10 Realizarea protecției prin legare la pământ. R0 Rp Tablou de distribuție Rp
A
B
C
N
PE
N conductor neutru;
PE conductor de protecție.
separată de priza de pământ a postului de transformar ,e în cazul rețelelor
de medie tensiune cu neu trul izolat sau tratat prin bobi nă de compensare .
În rețelele electrice aeriene de d istribuție , conductorul neutru este utilizat și
drept conductor de protecție (sistem de tip TN -C) legându -se la priza de pământ în
următoarele locuri:
în apropierea sursei de alimentare;
la toate capetele liniilor și ale ramificațiilor, astfel încât di stanța dintre dou ă
prize să nu fie mai mare de cât o anumită valoare (în mod obișnuit 500 m ).
În instalațiile electrice ale consumatorilor, părțile metalice ale
echipament elor și utilajelor se conectează printr -un conductor de protecție, în
montaj aparent, la aceeași instalație de legare la pământ la care se conectează
barele și bornel e de neutru ale tablourile de distribuție.
15.4 Tipuri de instalații de legare la pământ
15.4.1 Soluții constructive pentru instalațiile de legare la pământ
Prizele de pămâ nt pot fi clasificate din punct de vedere constructiv astfel :
Prize naturale, constituite din elementele metalice conductoare de curent
electric ale unor construcții (armăturile metalice ale fundațiilor, conducte metalice
de apă sau de alte fluide necomb ustibile, învelișul metalic al cablurilor electrice
etc.);
Prize artificiale, construite din electrozi metalici orizontali sau electrozi
orizontali și verticali, introduși în pămân t în scopul asigurării trecerii curenților
electrici de defect spre pământ .
Un electrod orizontal sau vertical reprezintă o priză de pământ simplă, iar un
ansamblu de electrozi verticali și orizontali legați între ei, formează o pri ză de
pământ complexă [15.5].
Tehnica securității muncii în întreprinderi 415
La realizarea prizelor artificiale se utilizează , de regulă , electro zi din oțel
zincat și , numai în cazuri speciale , electrozi din cupru.
În anexa A15.1 se prezint ă principalele tipuri de ele ctrozi și relațiile de
calcul a l rezistenței elec trice a prizei de pământ .
15.4.2 Prize de pământ artificiale pentru stații electric e
Priza artificială pentru stații le electrice exterioare este o priză complexă
formată din electrozi verticali , electro zi orizontali și o priză de diri jare a
potențialelor . În figura 15.11 este prezentat un exemplu de realizare practică a
prizei de pământ pentru o statie electrică exterioară .
1,5 m
1,5 m
3,5 m
l0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Fig. 15.11 Instalație de legare la pământ pentru o stație electrică exterioară:
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 legături la priza de pământ; 7 legătura prizei de dirijare la conturul principal al
prizei de pământ; 8 contur priză din electrozi orizontali la transformator; 9 fundații
transformatoare; 10 corp cameră de comandă și stație interioară; 11 contur priză din
electrozi orizontali la corp clădire; 12 contur de dirijare a potențialelor, exterior
împrejmuirii; 13 legături electrice prin sudare.
Conturul principal al prizei de pământ, realizat din electrozi orizontali și
verticali, este amplasat la c irca 1,5 m de împrejmuire , în interiorul stației.
Electr ozii verti cali sunt din țeavă din oțel (galvanizat) cu diametrul de 50
65 mm și lungimea lv = 3 m; adâncimea de îngropare (distanța de la partea de sus a
electrodului până la suprafată solului) este h = 0,8 1 m [15.4].
Priza de dirijare a potențialului se e xecută din electrozi orizontali îngropați la
adâncimea h = 0,4 0,6 m; distanța medi e între două benzi poate fi de 5 10 m.
Priza de d irijare a potențialelor este legată la conturul principal, aflat la o
distanță de 3,5 m, în mai multe puncte , prin ben zi din oțel lat; de asemenea , benzile
prizei de dirijare a potențialelor sunt utilizate și pentru legarea la priza de pă mânt a
aparatelor și echipamentelor din stație.
În jurul clădirilor din incinta stației și în jurul fundațiilor transformatoarelor
se prevăd contururi de dirijare a potențial elor din electrozi orizontali , care se leagă
la conturul prizei de dirijare.
416 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
În exterioru l stației electrice (împrejmuirii ) poate fi realiz at un contur
exterior de dirijare, care se leagă numai la împrejmuire (gard) î n mai multe puncte.
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.
Priza artificială pentru stațiile electrice interioare este o priză de pământ
complexă . Un exemplu de realizare practică a unei prize de pământ pentru o stație
interioară este prezentat în fig ura 15.12 [15.6].
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Fig. 15.12 Instalație de legare la pământ pentru o stație electrică interioară:
1 zid (fundație) clădire stație interioară; 2, 3, 6 contur din bandă din oțel; 4
electrozi orizontali din bandă din oțel sau otel rotund; 5 electrozi verticali
din țeavă din oțel; 7 contur închis al conductorului principal de legare la priza
de pământ; 8 legătură din bandă din oțel între conductorul principal și priza
de pământ; 9 legătura la pământ a unui echipament; 10 echipament electric;
11 bandă din oțel pentru legarea între ele a contururilor prizei artificiale;
12 legături electrice prin sudare.
Primul contur al prizei de dirija re a potențialelor este amp lasat la 0,3 m de
zidul clădirii și la adâncimea de 0,2 m, al doilea contur este amplasat la 0,8 m și
h = 0,4 0,6 m, iar al t reilea la 3 3,5 m și h = 1 1,2 m. Electrozii orizontali
și verticali , care compun conturul principal al priz ei de pământ, s unt amplas ați la
1,5 2 m de zidul clădirii și la adâncime a de 0,8 1 m. Conductorul principal de
legare la priza de pământ este execut at din oțel lat și formeaza un contur închis, la
care sunt legate echipamentele din incinta stației elect rice.
15.4.3 Dimensionarea prizei de pământ pentru stațiile electrice
Dimensionarea prizei de pământ presupune calculul rezistenței de dispersie
și a tensiunilor de atingere și de pas. P entru aceasta este necesar să se cunoască
următoarele date iniț iale, electrice și geometrice , ale instalației electrice:
dimensiunile geometrice ( l L) ale suprafeței ocupate de instalația
electrică și stabilirea modului de realizare a prizei;
tipul și tensiune a nominală a instalaț iei electrice, modul de tratare a
neutrului și metoda de protecție folosită împotriva electrocutării;
Tehnica securității muncii în întreprinderi 417
valoarea curentului electric de defect maxim (curentul electric de scurt –
circuit monofazat pentru rețelele de tip T și curentul electric de scurtcircuit bifazat
cu pământul sau curentu l electric de punere la pământ pentru rețelele de tip I);
timpul de eliminare a defectului ( tsc); se consideră timpul de acționare al
protecției de bază față de care se stabilesc tensiunile admise pentru Ua și Upas și
timpul de acționare al protecției de rezervă, pentru verificarea secțiunilor electro –
zilor orizontali și a legăturilor la priza de pământ.
Pentru c alcularea unei prize de pământ se parcurg următoarele etape:
a) Se calculează sau se determină prin măsurători rezistenț a electrică naturală
a prizei Rpn, a construcțiilor de pe teritoriul stației (aceasta se poate aproxima la o
valoare de 4 Ω).
b) Se calculează rezistența electrică de dis persie a unui electrod vertical relv
conform anexei A15.1 și, apoi, rezistența electrică de dispersie echivale ntă a prizei
verticale Rpv , utilizând relația:
v elvelv
pvu nrR, (15.24)
în care nelv este numărul electrozilor verticali amplasați pe conturul principal ; uv
factorul de utilizare al prizei verticale , conform anexei A15.2
c) Se calculează rezi stența electrică de dispe rsie a unui electrod orizontal relo,
conform anexei A15.1 și apoi rezistența electrică de dispersie echivalen tă a prizei
orizontale Rpo , utilizând relația:
o eloelo
pou nrR, (15.25)
în care nelo este numărul electrozilor orizontali care se amplasează pe conturul
principal ; uo factorul de utilizare al prizei orizontale , conform anexei A15.2.
d) Se calculează rezistența electrică de dispersie a prizei de dirijare a
potențialelor, aplicând relația:
duSpdR1 solρ
4π ,
(15.26)
în care S este aria suprafaței prizei de dirijare ( l1 L1) [m2]; ud – factorul de
utilizare (ud = 0,8 );
e) Se ia în considerare rezistența electrică de dispersie a liniilor electrice
racordate la stația electrică, considerându -se o rezistență de circa 2 Ω pentru o linie
electrică aeriană, utilizând relația:
LEAnplR2 , (15.27)
în care
LEAn – numărul liniilor electrice aeriene racordate în stație.
Prizele de pământ ale stâlpilor terminali ai LEA se leagă p rintr-o priză
orizontală din bandă de oțel smin = 40 5 mm2, cu priza de pământ a stației
electrice.
f) Se determină rezistența electrică Rp a prizei de dispersie a stației electrice,
prin considerare a tuturor prizelor de dispersie , calculate anterior, ca fiind în paralel:
418 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
,1 1 1 1 1 1
pLRpdRpoRpvRpnRpR
(15.28)
g) Se calculează factorii de atingere și de pas ( se pot considera egali, având
în vedere realizarea dirijării potențialelor pe suprafața stației electrice exterioa re)
aplicând expresia [15.4]:
,2
lnπ210,7
AhdLpaskak
(15.29)
în care
,
!1 !1223212
nnLnanlA
(15.30)
În relația (15 .30), L este lungimea geometrică a stației electrice corespun ză-
toare prizei principale [m], l lungimea unei benzi a prizei de dirijare [m], a
distanța î ntre două benzi p aralele vecine [m], n numărul total de benzi paralele
ale prizei de dirijare , d diametrul conductorului din care sunt realizate benzile
(pentru conductor dreptunghiular, d = b/2) [m], h adâncimea de îngropare a
benzii de dirijare [m].
Pentru stațiile electrice interioare , factorii de pas și de atingere se pot calcula
cu relația aproximativă:
,27,2
DSpaskak (15.31)
în care S este aria suprafaței cuprinsă în interiorul prizei artificiale (inclusiv
clădirea) [m2]; D diagonala suprafeței S [m].
h) Se calculează valorile tensiunilor de atingere și de pas pentru priza de
pământ artificială :
.;
p p pas pasp p a a
IR k UIRk U
(15.32)
i) Se compară rezultatele obținute cu valorile admise a le acestora din tabelul
A15.3.
15.4.4 Prize de pământ art ificiale pentru posturile de transformare
În cazul posturilor de transformare se folosesc , ca prize de pământ naturale,
armăturile metalice ale stâlpilor din beton armat și ale fundațiilor ce aparțin
posturilor de transfor mare în construcție zidită.
În figura 15.13 este indicat un exemplu de realizare practică a unei instalații
de legare la pământ pentru un post de transformare aerian. Instalația poate fi
realizată cu prize de pământ artificiale cu un contur, format din electrozi orizontali
și verticali sau prize de pământ cu două sau trei contururi pentru a realiza și
dirijarea potențialelor (fig. 15 .13).
Tehnica securității muncii în întreprinderi 419
Primul contur de egalizare a potenția –
lelor este amplas at la distanța de 0,4 m și
adâncimea de îngropare de 0,4 m ; al doilea
contur de egalizare a pot ențialelor este
amplas at la 0,7 m și adâncimea de îngropare
de 0,6 m.
Conturul care formează priza principală
este amplasat la 1,2 m față de perimetrul
exterior al stâlpulu i și adâncimea de îngropare
de 0,8 0,9 m .
În cazul posturilor de transformare
interioare, la priza naturală se leagă o priză
artificială din electrozi orizontali , în contur
închis , în exteriorul clădirii. Dacă este
necesar, se poate realiza o priză artificială
asemă nătoare cu cea a stațiilor de
transformare interioare.
15.4.5 Dimensionarea prizei de
pământ pentru posturile de transformare
Dimensionarea instalațiilor de legare la pământ a posturilor de transformare
se face plecând de la modul de tratare a neutrului rețelei de medie tensiune și de
tipul rețelelor la care se racordează : linii electrice aeriene sau în cablu.
Rețele de medie tensiune cu neutrul tratat cu rezistor
Instalația de legare la pământ se realizează, de regulă, în comun , între priza
de pământ de pe partea de medie tensiune și priza de pămâ nt de pe partea de joasă
tensiune. Dacă cheltuielile pentru realizarea unei instalații comune de legare la
pământ sunt mari , se admite separarea instalațiilor de legare la pământ , de pe partea
de joasă tensiune , de cea de pe partea de medie ten siune .
În cazul post urilor de transformare , conectate la linii electrice aeri ene de
medie tensiune , rezistenț a electrică de dispersie rezultantă Rp, se calculează cu
relația:
psR ppRpLRpR1 1 1 1 , (15.33)
cu respectarea condiției
pIcraUpR , (15.34)
în care RpL este valoarea rezultantă a rezistenței electrice de dispersie a prizei de
pământ a rețelei electrice (aeriene) de joasă tensiune (conductor neutru și prize de
pământ ); Rpp rezistența electrică de dispersie a prizei de pământ a pos tului de
transformare (se recomandă priza de pământ cu două sau trei contururi pentru a
realiza Rpp ≤ 4 Ω ); Rps rezistenț a electrică de dispersia prizelor de pământ a liniei
aeriene de medie tensiune , care se leagă la priza de pământ a postului de trans for-1 2 3 4 5 6 7 8
Fig. 15 .3 Instalație de legare la pământ a
unui post de transformare aerian:
1 electrod verical; 2 legătură electric ă
prin sudare; 3 , 5, 6 contur de egalizare a
potențialelor; 4 legătură subterană între
armătura stâlpului și priza de pământ; 7
fundație stâlp; 8 legătură subterană la
conturul de dirijare a potențialelor a
armăturii metalice a stâlpului.
420 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
mare (de obicei , stâlpii cu echipamente ); Ip valoarea curentului electric de defect
monofazat pentru linia electrică de medie tensiune ( se folosesc rezist oare pentru
limitarea curentului electric de defect la valoarea Ip = 300 600A); rc factor de
reducere, care ține seama de utilizarea unui conductor de compensare pe stâlpii
liniilor electrice de medie tensiune ( pentru Ip = 300 A nu se utilizează conductor de
compensare , rc = 1, iar pentru Ip = 600 A se utilizează conductor de compensare și
rc = 0,8).
Instalația generală de legare la pământ se realizeză efectuând următoarele
legături între elementele componente ale rețelelor electrice de medie și de joasă
tensiune :
neutrul înfășurării de joasă tensiune a transform atorului se leagă la bara de
neutru a cutiei (tabloului) de distribuție de joasă tensiune;
bara de neutru din cutia (tabloul) de distribuție de joasă tensiune se leagă la
priza de pământ a postului de transformare;
conductorul neutru al rețelei de joasă tensiune se leag ă la bara de neutru
din cutia (tabloul) de distribuție de joasă tensiune ; priza de pământ a pr imului stâlp
din linia de joasă tensiune, amplasat la o distan ță d ≥ 20 m de postul de
transformare, trebuie să aibă valoarea Rps ≤ 4 Ω;
priza de pământ a pos tului de transformare se leagă cu priza de pământ a
primului stâlp cu echipamente din linia de medie tensiune.
Dacă , în mod excepțional , se folosesc prize de pământ separate, una pent ru
postul de transformare și alta pentru rețeaua de joasă tensiune , condi ția de
dimensionare a prizei postului de transformare este:
pIa(pas)kpasaU
pR . (15.35)
Factorul de atingere (pas) se poate considera ka = 0,8 , în cazul utilizării unor
prize fără dirijarea potențialelor și ka = 0,3 , în cazul utilizării unor prize cu dirijare
a potențialelor (contur închis).
La pos turile de transformare , conectate la linii electrice în cablu de medi e ten –
siune, rezistenței electrică de dispersie rezultantă Rp este:
peR ppRpR1 1 1 , (15.36)
cu respectarea condiției
pIerirkrcraUpR , (15.37)
în care Rpe este rezistenț a echivalentă a instalațiilor de legare la pământ constituite
din sistemul conductoarelor neutre ale rețelei de joasă tensiune și a celorlalte prize
de pământ din rețelele de joasă tensiune și de medie tensiune; Ip valoarea
curentului electric de defect monofazat în rețeaua de medie tensiune ( Ip = 600 A
pentru linii electrice în cablu ); rc factor de reducere, care ține seama de prezența
conducto rului de compensare pe LEC de medie tens iune (rc = 0,7 0,8 în cazul
existenței conductorului de compensare și rc = 1, dacă nu există conductor de
compensare ); rk factor de reducere care ține seama de tipul rețelei de joasă
tensiune ( rk = 1 pentru LEA și rk = 0,85 pentru LEC de joasă tensiune ); ri factor
Tehnica securității muncii în întreprinderi 421
de reducere, ce ține seama de existența învelișurilor metalice a le cablurilor de
medie tensiune ( ri = 0,4 pentru cabluri armate și învelișuri metalice din
plumb/ aluminiu , ri = 0,85 pentru cabluri de medie tensiune numai cu ecran sau
înveliș di n cupru cu funcționare buclată, ri = 1 pentru cabluri de medie tensiune
numai cu ecran sau înveliș din cupru , cu funcționare radială ); re factor de
echipotențial al unei zone (incinte) din punct d e vedere al conductorului neutru din
rețeau a de joasă tens iune ( re = 0,8 da că rețeaua conductoarelor neutre din rețeaua
de joasă tensiune este buclată, re = 1 da că rețeaua conductoarelor neutre din rețeaua
de joasă tensiune este ramificată ).
Pentru realizarea instalației comune de legare la pământ, între elemente le
rețelei de medie tensiune, ale rețelei de joasă tensiune și cele ale postului de
transformare, se efectuează următoarele legături:
neutrul înfășurării de joasă tensiune a transform atorului se leagă la bara de
neutru a tabloului de distribuție de joas ă tensiune;
bara de neutru din tabloul de distribuție pe joasă tensiune se leagă la priza
de pământ a postului de transformare;
conductoarele neut re ale rețelei de joasă tensiune se leagă la bara de neutru
din tabloul d e distribuție de joasă tensiune; conduct oarele neutre ale rețelei de joasă
tensiune se leagă la prizele de pământ ale tablourilor (firidelor) principale din
punctele de consum (LEC) sau la prizele de pământ ale primului stâlp (LEA);
mantalele și ecranele metalice ale cab lurilor de medi e tensiune se leagă la
priza de pământ a postului de transformare; cablurile care au numai ecrane din
cupru vor fi însoțite , obligatoriu , între stația de conexiuni de medie tensiune și
primul post de transformare , de un c onductor de compensare din Al/Ol 120/21
mm2. Conductoarele de compensare se vor lega la capete la priza de pământ a
stației electrice și respectiv la priza de pă mânt a postului de transformare.
Rețele de medie tensiune cu neutrul izolat sau tratat prin bobină de stingere
În cazul acestor rețele, priza de pământ a postului de transformare este
separată de restul prizelor de pământ ale celorlalte instalații (rețele de medie
tensiune și joasă tensiune).
Rezistența electrică a prizei de pământ a postului de transform are trebuie să
respecte re lația ( 15.35).
Legăturile la priza de pământ a postului de transformare se efectuează astfel:
neutrul înfășurării de joasă tensiune a transform atorului se leagă la bara de
neutru a cutiei (tabloului) de distribuție de joasă tensiune;
bara de neutru din cutia (tabloul) de distribuție de joasă tensiune se
montează izolat față de celelalte elemente (metalice) din construcția postului de
transformare;
conductorul neutru al rețelei de joasă tensiune (aeriene sau î n cablu) se
leagă la bara de neutru din c utia de distribuție de joasă tensiune și la prizele de
pământ din rețeaua de joasă tensiune.
În cazul LEA de joasă tensiu ne, legătura conductorului neutru se face la
priza de pământ a primului stâlp , la o distanță d ≥ 20 m față de postul de trans –
formare, iar rezistenț a electrică a a cesteia trebuie să fie Rpl ≤ 4 Ω.
422 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
În cazul LEC de joasă tensiune , conductorul neutru se leagă la priza de
pământ de exploatare și protecție a firidelor (tablourilor) principale ale consuma –
torilor; rezistența electrică a acesto r prize trebuie să fie Rpc < 4 Ω.
15.5 Auditul activității de securitate a muncii
15.5.1 Verificări privind realizarea instalațiilor
În vederea realizării auditului , instalațiile electrice și instalațiile de legare la
pământ sunt supuse următoarelor ve rificăr i care să permită identificarea acestor
instalații, cu cele proiectate .
Verificarea documentației de execuție pentru instalațiile electrice (circuite
electrice primare ) proiectate și a concordanței acestora cu instalații le electrice
realizate prin:
identificarea tipului instalațiilor electrice din punct de vedere al
tratării neutrului (I sau T ), din punct de vedere constructiv (de interior sau de
exterior) și al tensiunilor nominale ale acestora;
verificarea dimensiunilor geometrice a le zonei de amplasare a
instalațiilor electrice;
identificarea eventualelor modificări în structura și configurația
instalațiilor electrice, precum și existența documentației tehnice a acestora;
identificarea configurației rețelei electrice de alimentare și sc hema
de încadrare în sistemul electroenergetic al instalațiilor electrice analizate.
Verificarea documentației de execuție privind realizarea prizei de pămâ nt
artificiale cu privire la :
schema generală de realizare a instalațiilor de legare la pământ care
privesc conturul principal, conturul prizei de dirijare a potențialelor , elementele de
legătura ale achipamentelor la priza de pamânt etc.;
profilul și dimensiunea ( secțiunea) electrozilor verticali, orizontali,
precum și a elementelor de legătură a le echipamentelor la priza de pământ;
prizele naturale și alte prize de pământ artificiale luate în consi de-
rare la realizarea prizei generale de legare la pământ;
valorile de calcul ale rezistenței electrice de dispersie a prizei de
pământ și ale factorilor de atingere și de pas.
15.5.2 Mărimi utilizate la verificarea prizei de pământ
Mărimile de intrare necesare efectuării verificării instalațiilor de legare la
pământ se calculează sau se stabilesc în raport cu tipul și configurația rețelei
electri ce, a protecțiilor prin relee utilizate și a prizei de pământ realizate:
Se calculează curentul maxim de defect Ip necesar determinării tensiunilor
de atingere și de pas ( curentul electric de scurtcircuit monofazat pentru rețelele de
tip T și respectiv curentul electric de punere la pământ pentru rețelele de tip I ).
Se stabilește timpul de scurtcircuit tsc, al curentului electric maxim de
defect Ip corespunză tor protecției de bază (tsc = 0,1 1 s, pentru rețelele de tip T și
Tehnica securității muncii în întreprinderi 423
respe ctiv mai mare de 3 s practic durata poate fi de ordinul orelor pentru
rețelele de tip I ).
Se calculează curentul electric maxim de scurtcircuit Isc necesar verificării
stabilității termice a electrozilor orizontali și a legăturilor echipamentelor la priza
de pământ (curentul electric de scurtcircuit monofazat pentru rețelele de tip T și
respectiv curentul electric de scurtcircuit bifazat cu pământul pentru rețelele
electrice de tip I ).
Se stabilește timpul de scurtcircuit tsc al curentului electric maxim de defect
Isc necesar v erificării stabilității termice ( corespun de protecției de rezervă; se poate
considera tsc = 0,5 3 s pentru reț elele de tip T și respectiv tsc = 1,5 3 s pentru
rețelele de tip I ).
Se măsoar ă rezistența electrică de dispersie a prizei de pământ și se
compară cu valoarea obținută prin calcul la elaborarea documentației tehnice și cu
valorile măsurat e pe durata de viață a acesteia.
Se verifică , prin calcul , valorile factorilor de atingere și de pas , stabiliți la
executarea instalației de legare la pământ; î n cazul în care s -au efectuat modificări
ale instalațiilor electrice , recalcularea factorilor de atingere și de pas este obligato rie.
15.5.3 Verificarea condițiilor de realizare a instalațiilor
de legare la p ământ
Verificarea condițiilor de realizare a instalațiilor de legare la pământ trebuie
să se efectueze periodic și , în special , după realizarea unor lucrări în instala țiile
electrice analizate ( extinderi, modernizări ) sau a unor modificări în c onfigura ția
rețelelor electrice din sistemul electroenergetic . În primul caz , pot să apară
modificări ale dimensiunilor geometrice ocupate de instalațiile electrice și implicit
de instalați ile de legare la pământ , iar, în al doilea caz , pot să apară modif icări ale
valorilor și duratelor curenților electrici de defect.
Verificarea condițiilor de realizare a instalațiilor de legare la pământ
presupune , atât îndeplinirea funcției de protecție a persoanelor împotriva acciden –
telor prin electrocutare , cât și s tabilirea unor cerințe funcționale a le rețelei electrice .
Principalele verificări ale instalați ei de legare la pământ sunt urmă toarele:
Calculul tensiunilor de atingere și de pas și compararea acestora cu valorile
admisibile (anexa A15.3) pentru fi ecare tip de in stalație electrică, aplicând relațiile
(15.32); în cazul în care Ua Ua,adm și Upas Upas, adm , priza de pământ își
îndeplinește principala funcție pentru care a fost realizată și anume , protecția
persoanelor împotriva accidentelor prin elect rocutare; în cazul în care tensiunile de
atingere și de pas depășesc valorile tensiunilor admise, se vor propune măsuri de
îmbunătățire a prizelor de pământ.
Verificarea stabilității termice a electrozilor orizontali utilizați , atât la
realizarea conturu lui principal , cât și a prizei de dirijare a potențialelor; aria
secțiunii transversale s a acestor electrozi trebuie să asigure trecerea unui curent
egal cu jumătate din valoarea curentului electric maxim de scurtcircuit Is (având în
vedere că acești elec trozi orizontali formează două căi de curent electric);
verificarea se face cu relația :
424 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
ct Issc sc
2
. (15.38)
Verificarea stabilității termice a conductoarelor de legare la priza de
pământ a aparatelor și echipamentelor electrice; aria secți unii transversale a acestor
electrozi trebuie să asigure trecerea curentului electric maxim de scurtcircuit Isc,
ceea ce presupune respectarea relației :
ct Issc sc
. (15.39)
În relațiile (15.38) și (15 .39), c reprezintă densitatea de curent electric la
scurtcircuit pentru tipul de material utilizat în construcția electrozilor orizontali
(pentru oțel c = 70 A/mm² ).
15.6 Recomandări și măsuri de protecție împotriva
tensiunilor accidentale
15.6.1 Metode și măsuri de îmbună tățire a prizelor de pământ
În cazul în care relațiile (1 5.32) nu sunt respectate , trebuie să se ia măsuri de
reducere a termenilor din componența acestora , realizându -se astfel o reducere a
valorilor pentru tensiunea de pas și respectiv t ensiu nea de atingere.
Reducerea rezistenței electrice de dispersie a prizei de pământ se poate
obține prin :
micșorarea distanțe i dintre electrozii verticali ( practic crește
numărul electrozilor verticali și orizontali );
micșorarea distanței dintre benzil e prizei de dirijare a potnțialelor.
Mărirea valorilor maxime admise pentru tensiunile de atingere și de pas (a
se vedea anexa A15.3) prin reducerea timpilor de acționare a protecției de bază sau
reducerea valorii curentului electric maxim de defect atunci când configurația
sistemului electroenergetic permite ;
Reducerea factorilor de atingere și de pa s prin izolarea amplasamentelor ,
situație în care se urmărește creșterea rezistenței electrice pe care o opune corpul
omenesc la trecerea curentului electr ic; valorile tensiunil or de atingere și de pas vor
fi:
,α;α
pp
paspas
pasp p
aaa
IRk
UIRkU
(15.40)
în care a = 2, în cazul izolării amplasamentelor cu un strat de piatră spartă de
15 cm grosime; a = 3, în cazul utilizării dalelor din beton ; a = 5, în cazul
utilizării unui strat din asfalt de 2 cm grosime ; pas = 4a 3.
În cazul în car e una sau ambele relații (15.38 ) și (15 .39) nu se verifică se
pot lua următorele măsuri :
Tehnica securității muncii în întreprinderi 425
reducerea timpului de scurcircuit
sct, corespunzător acționă rii pro –
tecției de reze rvă a echipamentelor electrice;
reducerea valorii curentului electric de scurtcircuit prin stabilirea
unei configurații convenabile din punct de vedere al siguranței în funcționare a
sistemului electroenergetic sau alimentării cu energie electrică a consumatorilor ;
mărirea ariei secțiunii transversale a electrozilor orizontali , utilizați
pentru realizarea contururi lor principale (relația 15 .38) și, respectiv , a conductoa –
relor de legare la priza de pământ a aparatelor și echipam entelor e lectrice (relația
15.39).
15.6.2 Mă suri tehnice de protecție a muncii la executarea
lucrărilor cu scoatere de sub tensiune a instalațiilor electrice
Pentru executarea de lucrări în instalațiile electrice aflate în exploatare,
trebuie scoase de sub tensiune:
instalațiile sau părțile din instalație la care urmează a se lucra;
instalațiile învecinate sau părți ale acestora care se găsesc la o distanță m ai
mică decât cea din tabelul 15 .2, la care se pot apropia fără pericol, executanți i sau
uneltele acestora și utilajele;
instalațiile sau părți ale acestora care sunt situate la distanțe mai mari decât
distanțele de vecinătate, dar la care natura lucrărilor impune scoaterea lor de sub
tensiune (traversări, paralelisme etc.).
Măsurile tehnice pentru realizarea unei lucră ri în instalațiile electrice sunt
următoarele [15.7]:
a) Separarea electrică a instalației, respectiv:
întreruperea tensiunii și separarea vizibilă a instalației sau a părții de
instalație, după caz, la care urmează a se lucra și anularea automatizărilor care
conduc la conectarea întreruptoarelor;
blocarea în poziție deschis a dispozitivelor de acționare a aparatelor
de comutație prin care s -a făcut separarea vizibilă și aplicarea indicatoarelor de
securitate cu c aracter de interzicere pe aceste dispozitive;
b) identificarea instalației sau părții din instalație în care urmează a se lucra;
c) verificarea lipsei tensiunii și legarea imediată a instalației sau a părții de
instalație la pământ și în scurtcircuit;
d) delimitarea materială a zonei de lucru;
e) asigurarea împotriva accidentelor de natură neelectrică.
15.6.3 Mijloace și dispozitive de protecție
La executarea lucrărilor sau manevrelor în instalațiile electrice este necesară
dotarea personalului cu mijl oace individuale și colective de protecție corespunză –
toare riscurilor activității desfăș urate.
Dintre mijloacele și dispozitivele de protecție împotriva accidente lor de
muncă, pot fi amintite [15.7 ]:
426 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
Tabelul 15 .2
Distanț ele minime de vecinătate (apropier e) de i nstalațiile aflate sub tensiune
Tensiunea nominală a instalației ,
kV 1 20 27 60 110 220 400
Distanța minimă de vecinătate [m]
la manevre, executate în instalații
interioare sau exterioare 0,8 1 1,5 2,4 3,7
Distanța
minimă de
vecinătate
[m], la
executarea
lucrărilor în
instalații
electrice
De la sol În stații
interioare și
exterioare 0,8 1 1,5 2,4 3,7
În celelalte
instalații
exterioare 2 2,5 3 4 5
Prin urcare pe
stâlpii LEA 1,5 2 2,5 3 5
Mijloace de protecție electroizolante . Sunt utilizate împotriva riscurilor de
accidentare provocate de tensiunea de serviciu a instalațiilor electrice: prăjini
electroizolante, clești electroizolanți, detectoare de tensiune, plăci electro izolante,
teci electroizolante, folii electroizolante, mănuși electroizolante, încălțăminte
electro izolantă, covoare electroizolante, platforme electroizolante;
Mijloace de protecție pentru legarea la pământ și în scurtcircuit a insta la-
țiilor electrice . Sunt dispozitivele destinate protecției personalului împot riva apari –
ției accidentale a tensiunii în zona de lucru: cuțite de legare la pământ, scurt –
circuitoare mobile;
Mijloace de protecție pentru delimit area materială a zonei de lucru .
Dispozitive care nu permit accesul persoanelor străine în această zonă sa u părăsirea
ei de către membrii formației de lucru;
Mijloace de protecție împotriva efectelor acțiunii arcului electric și a
traumatismelor mecanice : vizieră de protecție a feței, cască de protecție, salopetă
sau halat , mâner pentru efectuarea operațiilo r de mont are-demontare siguranțe tip
MPR;
Dispozitive și echipamente individuale de prot ecție pentru lucrul la înăl ți-
me. Sunt utilizate pentru urcare și coborâre pe suporții instalațiilor și pentru exe cu-
tarea unor operații tehnologice la înălțime: sc ări, dispozitive de urcat (coborât) pe
stâlpi, dispozitive de ancorat, centuri complexe, schele sau platforme de lucru etc.
Pentru executarea lucrărilor , direct asupra părților aflate sub tensiune, se
utilizează unelte și dispozitive speciale electroizola nte sau electroizolate, în funcți e
de metoda de lucru aplicată, „în contact” sau „ la potențial”.
Tehnica securității muncii în întreprinderi 427
ANEXA A15. 1
Tipuri de electrozi și relații de calcul a rezistenței de dispersie
conform 1.RE – Ip 30 – 90 [15.6]
Tipul electrodului prizei simple
Relația de calcul a rezistenței electrice de dispersie
Prize verticale simple
Țeavă îngropată cu capătul superior la
nivelul solului având lungimea lv în sol și
diametrul d
dl
lrv
vsol
elv4lnπ2ρ
Țeavă îngropată cu partea superioară la
adâncimea h, av ând lungimea lv ,
diametrul d și mijlocul îngropat la
adâncimea t = h + 0,5lv
vv v
vsol
elvltlt
dl
lr44ln5,02lnπ2ρ
Bară cu secțiunea dreptunghiulară
îngropată , cu capătul superior la nivelul
solului având lățimea mai mare b și
lungimea lv
bl
lrv
vsol
elv4lnπ2ρ
Bară cu secțiunea dreptunghiulară
îngropată , c u capătul superior la
adâncimea h având lățimea mai mare b,
lungimea lv și mijlocul la adâncimea t =
h + 0,5lv
vv v
vsol
elvltlt
bl
lr44ln5,02lnπ2ρ
Prize orizontale simple
Țeavă orizontală îngropată la nivelul
solului av ând lungimea lo și diametrul d
dl
lro
osol
elo2lnπρ
Țeavă orizontală îngropată la adânci mea
h având lungimea lo și diametrul d
dhl
lro
osol
elo2
lnπ2ρ
Bară cu secțiunea dreptunghiulară (oțel
lat ) îngropată la suprafața solului având
lungimea lo și lățimea mai mare b
bl
lro
osolelo4lnπρ
Bară cu secț iunea dreptunghiulară (oțel
lat) îngropată la adâncimea h având
lungimea lo și lățimea mai mare b
bhl
lro
osol
elo22lnπ2ρ
Placă de suprafață S așezată la supraf ața
solului
Srsol
eloρ
4π
Electrod inelar cu secțiune drept –
unghiulară așezat la suprafața solului
având lungimea lo și lățimea mai mare
b
bl
lro
osol
eloπ16lnπρ
Electrod inelar cu secțiune drept unghiu –
lară așezat la adâncimea h având
lungimea lo și lățimea mai mare b
hbl
lro
osol
eloπ8lnπ2ρ2
428 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
ANEXA A15. 2
Valorile factorilor de utilizare uv si uo pentru prizele de pământ verticale și orizontale,
conform 1. RE – Ip 30 – 90 [15.6]
Nr.
crt. Număr
electrozi
verticali
sau
orizontali Distanța între
electrozii verticali Factorii de utilizare uv și uo
Electrozi verticali
amplasați pe un contur
liniar deschis Electrozi verticali
amplasați pe un contur
liniar închis
Priză
verticală Priză
orizontală Priză
verticală Priză
orizontală
nelv = n el lo uv uo uv uo
1 2 0,85 0,80 – –
3 0,80 0,80 0,75 0,50
4 0,75 0,77 0,65 0,45
5 0,70 0,75 0,62 0,42
6 lo= 1lv = 3 m 0,65 0,60 0,60 0,40
10 0,60 0,60 0,55 0,33
20 0,50 0,20 0,50 0,25
40 – 0,20 0,40 0,20
60 – – 0,38 0,20
100 – – 0,35 0,19
2 2 0,90 0,90 – –
3 0,85 0,90 0,80 0,60
4 0,82 0,88 0,75 0,55
5 0,80 0,85 0,72 0,52
6 lo= 2lv = 3 m 0,78 0,80 0,70 0,50
10 0,75 0,75 0,66 0,44
20 0,70 0,56 0,61 0,30
40 – 0,40 0,55 0,29
60 – – 0,52 0,27
100 – – 0,50 0,24
3 2 0,95 0,95 – –
3 0,90 0,90 0,90 0,75
4 0,88 0,85 0,85 0,70
5 0,85 0,82 0,82 0,68
6 lo= 3lv = 3 m 0,82 0,80 0,80 0,65
10 0,80 0,75 0,75 0,56
20 0,75 0,68 0,70 0,45
40 – 0,54 0,65 0,39
60 – – 0,62 0,36
100 – – 0,60 0,33
Tehnica securității muncii în întreprinderi 429
ANEXA A15.3
Valorile maxim admise ale tensiunilor de atingere și de pas în rețelele electrice de medie și înaltă
tensiune (V)
Tipul
instala ției
electrice Zona de
amplasare Tip
rețea Timpul de acționare al protecției de bază, s
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
1,2 1,23 >3
Echipa –
ment
electric
din stații
și posturi
de
transfor –
mare a)circu lație
frecventă I; T 125
(250) 100
(200) 85
(165) 80
(150) 75
(140) 70
(130) 65
(125) 65 50
b)circulație
redusă I; T 250
(500) 200
(400) 165
(330) 150
(300) 140
(280) 130
(260) 125
(250) 125 125
c)circulație
redusă cu
folosirea
mijloa celor
de protecție
electro –
izolante I; T 500
(1100) 400
(795) 330
(600) 300
(500) 280
(500) 260
(500) 250
(500) 250 250
Stâlpi
LEA cu
echipa –
mente a)în
localități,
indiferent
de zonă I 125 125 125 125 125 125 125 125 125
T 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250 250
b)incinte
industriale
și agri cole,
plaje și
terenuri de
camping I 125 125 125 125 125 125 125 125 125
T 250 250 250 250 250 250 250 250 250
Stâlpi
LEA fără
echipa –
mente a)în
localități cu
circu lație
frecventă I 125 125 125 125 125 125 125 125 125
T 250
(1100) 250
(795) 250
(600) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250
(500) 250 250
Pentru stâlpii fără echipamente
Valorile tensiunilor de atingere și de pas sunt identice cu cele de la stâlpii LEA cu
echipamente, în zona de amplasare b;
Nu sunt standardizate valori ale tensiunilor de atingere și de pas pentru zonele cu circulație
redusă și cele din afara localităților .
430 Instalații electr oenergetice și elemente de au dit industrial
Bibliografie
[15.1] *** Efectele cu rentului asupra omului și anima lelor domestice . Partea I -a: Aspecte generale ,
IRS Standard Român, SR CEI 479 – 1, mai 1995.
[15.2] *** Efectele trecerii curentului electric prin corpul omului . Partea II -a: Aspecte particulare ,
IRS Standar d Român, SR CEI 479 – 2, septembrie 1995.
[15.3] Drăgan G., Tehnica Tensiunilor Înalte , vol. III, Editura Academiei Române, București, 2003.
[15.4] *** Power installations exceeding 1 kV a.c. , Harmonization Document HD637S1/1999
CENELEC.
[15.5] Mocanu C., Teoria câmpului electromagnetic , Editura Didactică și Pedagogică, București,
1992.
[15.6] *** Îndreptar de proiectare și execuție a instalațiilor de legare la pământ . RENEL -ISPE. 1.RE
– Ip 30 – 90
[15.7] *** Norme specifice de securitate a muncii pentru transportul și distribuția energiei electice .
MMPS, NSSM -TDEE 65/2004.
16
AUDIT ENERGETIC LA UN CUPTOR
CU ARC ELECTRIC
16.1 Aspecte generale
Auditul energetic implică analiza consumurilor de energi e pentru
fiecare dintre procese le care au loc în cadrul întreprinderii, realizarea unui bilanț
energetic și, în final, prezentarea unor măsuri specifice pentru creșterea eficienței
energetice.
Pentru cazul concret al unui cuptor cu arc electric, receptor important de
energie electrică din cadrul întreprinderilor industriale, este prezentat, în
continuare, un exemplu privin d analiza consumurilor de energie. În final , sunt
indicate consumurile energetice pentru un proces optimizat.
16.2 Bilanțul electroenergetic
Bilanțul energetic permite analiza proceselor de transformare ener getică,
procese care au loc în conturul un ui sistem de producție mate rială sau în conturul
unei părți componente a acestuia [1 6.1]. În general, bilanțurile energetice pot fi
întocmi te pentru un agregat, o secție, un proces tehnologic, o întreprindere
industrială.
Scopul realizării unui bilanț en ergetic constă în determinarea consu –
murilor de energie din conturul considerat, evidențierea separată a acestor
consumuri în componente utile și pierderi, dar și în analiza reducerii consumurilor
de energie și creșterea eficienței utilizării energiei în cadrul întreprinderii. Prin
întocmirea unui bilanț energetic se pun în evidență consumurile excesive și se
propun măsuri pentru optimizarea consumului de energie.
Pentru întocmirea bilanțului electroenergetic vor fi parcurse
următoarele etape principale:
întocmirea bilanțului energetic real pentru procesul analizat;
evaluarea eficienței energetice pe baza unor valori cunoscute,
realizate în procese performante, de același tip;
432 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
propuneri de soluții pentru creșterea eficienței energetice.
La întocmire a bila nțului real trebu ie avute în vedere următoarele
aspecte [16. 2]:
definirea conturului pentru care se realizează bilanțul;
caracteristicile tehnice ale principalelor utilaje și instalații cuprinse în
contur;
schema fluxului tehnologic;
analiz a procesului tehnologic (parametrii tehnici și economici);
intervalul de timp sau mărimea de referin ță pentru care se realizează
bilanțul (oră, ciclu, an, tonă);
aparatele de măsurare folosite, caracteristici tehnice și clasa de exactitate;
schema și punctele de măsurare;
calculul componentelor asociate consumurilor energetice (expresii anali –
tice, formule de calcul), ecuația de bilanț;
tabelul de bilanț și diagrama Sankey;
analiza energetică a datelor obținute (compararea componentelor utile și de
pierderi cu cele realizate în procese și instalații similare, de proiect, de recepție, de
omologare, cunoscute pe plan intern, extern și în literatură);
propunerea unui bilanț optimizat;
plan de măsuri și acțiuni pentru creșterea eficienței energet ice;
calcule privind eficiența economică a principalelor măsuri stabilite;
analiza elementelor de impact asupra mediului.
Pe baza analizei efectuate trebuie să fie localizate pierderile de energie, să fie
stabilite cauze le care le determină, să fie ev aluată amplitudinea acestora și să se
stabilească măsuri care să conducă la creșterea eficienței energetice. Aceste măsuri
trebuie să se refere , atât la aspecte strict energetice , cât și la cele legate de
tehnologia utilizată și de utilajele folosite.
Pentru evaluarea, din punct de vedere calitativ și cantitativ a unui proces sau
a unei instalații, se vor folosi indicatori specifici de eficiență, calculați pe baza
datelor determinate prin bilanțul electroenergetic.
Pe baza concluziilor , rezultate din anal iza bilanțului electroenergetic , se va
elabora un plan de măsuri, în care se vor înscrie toate măsurile tehnice posibile de
eliminare sau reducere a pierderilor prin: îmbunătățirea proceselor energetice și
tehnologice, îmbunătățirea exploatării, organizare a întregii activități, valorificarea
resurselor energetice refolosibile. Pentru măsurile de creștere a eficienței energetice
se va determina și eficiența economică a acestora.
16.3 Echipamente de monitorizare
Echipamentele utilizate pentru auditul ener getic trebuie să efectueze toate
funcțiile de bază pentru monitorizarea energiei electrice asigurând facilități sporite
de monitorizare, analiză și control a calității energiei în rețele electrice trifazate.
Acestea trebuie să permită măsurarea și stocarea următoarelor mărimi [16.3] :
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 433
valori instantanee ale tensiunilor de linie și de fază, precum și valori me dii
ale acestora;
valori instantanee și medii ale curenților electrici, pe fiecare fază și pe
conduc torul neutru;
puterea activă, reactivă, a parentă , pe fiecare fază și totală;
factoru l de putere pe fiecare fază și trifazat ;
nesimetrii de curent electric și de tensiune;
sensul de circulație al puterilor pentru fiecare fază;
frecvența tensiunii de alimentare.
De asemenea, echipamentele de măsurare utilizate trebuie să
îndeplinească și următoarele caracteristici:
să asigure analiza on – line a perturbațiilor din rețeaua electrică;
să poată fi folosit în orice punct, pe orice bară (tablou) a consuma –
torului la care se realizează au ditul electroenergetic;
să poată fi conectat în orice nod al unei rețele electrice de distribuție în
care furnizorul de e nergie electrică trebuie să efectueze monitorizarea
tensiunii, pentru a ne asigura că se respectă condițiile contractuale de
alimen tare cu energie electrică a consumatorilor;
să permită caracterizarea completă, pe in tervale de timp reprezenta –
tive și, pe baza unei analize statistice, a încadrării tensiunii în limitele
contractuale;
să ofere informațiile cantitative necesare ca lculului daunelor deter mi-
nate de abaterile de la indicatorii de calitate ai energiei electrice;
să ofere datele necesare analizei încadrării indicatorilor de calitate ai
energiei electrice în intervalele indicate în normele naționale și internațional e
specifice (EN 50160) [16.4] ;
să dea informații clare și sintetice, care să poată fi interpretate , atât de
specialiști, cât și de către orice consumator de energie electrică;
să asigure informații le necesare adoptării de decizii privind schemele
de alimentare adecvate pentru consumatorii de energie electrică.
Punctele de măsurare sunt stabilite în punctele caracteristice ale
procesului tehnologic, pe baza unui plan de măsurători .
În cadrul unei analize de bilanț energetic se compară, pe cât posib il,
toate datele de bilanț , obținute prin măsurători proprii , cu cele din bilanțurile
anterioare, cu datele de proiect, cât și cu alte date de la agenți economici similari
sau din literatura de specialitate.
16.4 Procesul auditat. Cuptorul cu arc electri c
434 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Cuptorul electric trifazat cu arc electric auditat , care este analizat, are o cu
cuvă cilindrică, este amplasat în cadrul oțelăriei electrice și funcționează pe
principiul încălzirii directe a băii metalice, prin intermediul arcului electric.
Cuptoru l este alimentat la tensiunea de 35,0 kV din stația electrică proprie,
are o capacitate de 57 /80 t și un consum de energie electrică estimat de 35,7 MWh.
Este căptușit cu cărămidă refractară (magnezită), fiind un cuptor bazic.
Încărcarea se face prin par tea superioară, cu ajutorul benei (coșului). Aceasta
este construită dintr -un cilindru metalic, care formează partea laterală și din
sectoare flexibile din oțel, care alcătuiesc fundul benei. Capacitatea benei de șarjă
este în medie de 30 t. Pentru încărca re se rotește bolta în momentul în care coșul a
fost adus deasupra locului de încărcare. Îndată ce s -a descărcat coșul, cuptorul se
readuce în poziția de lucru și se acoperă cuva.
Evacuarea oțelului din cuptor se face prin basculare, în partea orificiului de
evacuare, cu un unghi care poate ajunge la 40 45 grade . Pentru evacuarea zgurii,
există posibilitatea basculării cuptorului în partea ușii de lucru, cu un unghi specific
(de regulă, 0 15 grade).
Electrozii din grafit sunt susținuți și fixați h idraulic permițând deplasarea lor
paralel cu axa verticală a cuptorului. Fixarea electrozilor în portelectrozi se face
prin intermediul unui dispozitiv hidraulic cu saboți . Ridicarea electrozilor se
realizează hidraulic, manual sau automat pentru a se menț ine curentul electric din
arc, în mod constant, la o intensitate de circa 39 kA. Spațiile dintre electrozi și
boltă sunt ocupate de inele de răcire. Ele au rolul de a proteja bolta și de a răci
părțile exterioare ale electrozilor, prin răcirea gazelor cald e care ies din suprafața
electrozilor.
Prin înclinarea cuvei cuptorului, o țelul topit s e evacuează prin jgheab în oală.
Zgura se e vacuează odată cu oțelul topit – aceasta protejează oțelul de acțiunea
oxidantă a atmosferei și menține temperatura constant ă a oțelului topit.
La începutul topirii oțelului , acționarea electrozilor se face manual până la
stabilizarea arcului electric apoi se trece pe acționarea automată.
Datele tehnice ale instalației supuse analizei sunt următoarele:
Cuptor :
diametrul cuv ei: 4100 mm
diametrul băii: 3400 mm
aria suprafaței cuvei: 17,050 m2
diametrul cercului de distribuție: 3 720 mm
diametrul electrozilor din grafit: 3 350 ± 3 % mm
Transformator de cuptor :
tensiunea înaltă: U1n = 35 kV și I1n = 880 1040 A;
tensiunea joasă: U2n = 591 164 V;
curentul electric din secundar, reglabil în cinci trepte I2n = 52, 48 62 kA ;
puterea aparentă nominală: S n = 53,73 63 MVA
pierderi de mers în gol: P0 = 50,470 kW
pierderi în scurtcircuit: Psc = 289,368 kW
puterea aparentă maximă (la topire): Srmax = 63 MVA
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 435
tensiunea de scurtcircuit: usc = 6,86 %
randament: = 88 %
Pentru controlul regimului electric al cuptorului și înregistrarea consumului
de energie elect rică pe șarjă, instalația este echipată cu următoarele aparate de mă –
surare și control:
ampermetru – pe partea de înaltă tensiune;
trei ampermetre – pe partea de joasă tensiune;
voltmetru montat între faze pe partea de înaltă tensiune;
trei voltmetre pe partea de joasă ten siune;
wattmetru înregistrator pe partea de înaltă tensiune;
contor trifazat de energie electrică activă.
Pentru controlul regimului termic al cuptorului , în perioada măsurătorilor pe
durata auditului , s-au instalat aparate de măsurare în puncte car acteristice :
patru termometre montate pe pereții laterali ai cuptorului , cu domeniul de
măsurare t = 0 500°C ;
un termometru pe suprafața bolții , cu domeniul de măsurare t = 0
1200°C ;
un termometru sub vatră , cu domeniul de măsurare t = 0 1200°C .
Măsurătorile s -au efectuat pentru un număr reprezentativ de șarje . Pe baza
datelor obținute s-au determinat pierderilor de energie și s -a întocmit bilanțu l
energetic pe fiecare tip de șarjă în parte.
Pe baza datelor obținute se întocm ește bilanțul real al energiei electrice
active consumate pentru o șarjă . Durata șarjei a fost de 80 130 minute , cu un
consum de energie electrică de 460 660 kWh/t de oțel lichid . Consumul de
electrozi siderurgici o500, tip U, este de 2,43 kg/t de o țel lichid
Bilanțul de material este prezentat în tabelul 16.1 pentru șarja semnificativă .
Această șarjă fost aleasă dintr -o serie de 8 șarje, considerate reprezentative, din
totalul șarjelor dintr -o perioada de analiză de 2 săptămâni (minim).
În figura 16.1 se prezintă schematic amplasarea utilajelor tehnologice din
cadrul întreprinderii metalurgice analizate.
436 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
LEA 110 kV
LEC 35 kV
Pregătire dozare
Zona pregătire
fier vechi Hala
materiale
Platforma
cuptor
Materiale/
Feroaliaje +
Refractare Fier vechi Utilaj turnare
Hala
turnare Zona
depozitare
zgură
Fig. 16.1 Amplasarea cuptorului cu arc electric.
În figura 16.2 sunt indicate principalele mărimi specifice procesului
tehnologic în cuptorul cu arc electric, precum și modul de valorificare a produsului
realizat în cuptor .
Tabelul 16. 1.
Bilanțul de masă
Material intrare Materiale ieșite
U.M. Cantitate U.M. Cantitate
Materii Prime Produse
Deșeuri feroase kg/t 1100 OL lichid t 1
Calcar (Var) kg/t 53,12
Cocs
(Petrol+Grafit) kg/t 8,94 Apă industrială
Electrozi grafit
(Ferosiliciu) kg/t 2,43 Apă industrială (95%)
recirculată m3/h 726,25
Cuptor tri fazat
cu arc electric Energie electrică
Cocs
Fier vechi
Electrozi grafit
Gaz natural
Calcar (var)
Cărămidă refractară
Florură de calciu
Apă de răcire
Oțel lichid
Deșeuri (zgură)
Emisii atmosferice
Apă recirculată
Turnare
continuă Țaglă – țevi
Blum
Cuptoare de
reîncălzire
(laminare la
cald) Profile
Fig. 16.2 Schema de principiu a proceselor din oțelăria electrică.
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 437
Cără midă refractară kg/t 5,5
Feromangan
(minereu=Fe -Mn) kg/t 5,00 Deșeuri
Florura de calciu
(CaP2) kg/t 2 Zgură kg/t 50-100
Apă industrială Emisii atmosferice
Apă industrială
recirculată m3/h 765 Praf g/t –
Hg g/t –
Energie Pb g/t 2.5-7
Energie electrică
totală kWh/t 35700 Cr g/t 1-12
Energie electrică
totală/t kWh/t 626,315 Ni g/t 0.25-5
Oxigen Nm3/t 10-15 Zn g/t 6-11.4
Ar Nm3/t 0 Cd g/t 0.07-0.25
Cu g/t 0.5-0.8
NMVOC g/t 90
Benzen g/t 0.02
SOx g/t 130
NOx g/t 470
CO, CO 2 g/t 5-100
Diox g/t –
16.5 Calculul energiei electrice introduse în cuptor
a) Energia electric ă activă preluată din rețea ua electrică a fost măsurat ă cu
contorul de energie electrică activă montat pe partea de înaltă tensiune. S -a
determinat valoarea Winc = 35,7 MWh = 35700 kWh .
b) Energia introdusă în încărcătură se calculează cu relația:
.θ θ θθ θ θ
666 555 444333 222 111
cm cm cmcm cm cm Winc
(16.1)
în care m1 = 1100 kg este mas a încărcăturii metalice ; m2 = 2,4 3 kg masa de Fe -Si;
m3 = 53,12 kg masa de calcar; m4 = 5,00 kg masa de feromangan (Fe -Mn); m5
= 8,94 kg masa de cocs ; m6 = 2 kg masa de fluorură de calciu; c1 = 0,5 kJ/kg °C
căldura specifică a încărcăturii metalice; 1 = 15C temperatura încărcăturii
metalice introdusă în cuptor; c2 = 0,744 kJ/ kg°C căldura specifică a Fe -Si; 1=
28°C temperatura încărcăturii de Fe -Si introdusă; c3 = 0,727 kJ /kg °C căldura
specifică a calcarului; 3 = 15°C temperatura încărcăturii de calcar introdusă în
cuptor; c4 = 0,667 kJ /kg °C căldura specifică a feromanganului; 4 = 15 °C
temperatura încărcăturii de feromangan introdusă; c5 = 0,79 kJ /kg °C căldura
speci fică a cocsului; 5 = 15°C temperatura încărcăturii de cocs introdusă în
cuptor; c6 = 0,895 kJ /kg °C căldura specifică a fluorurii de calciu .
Masele m1 m6 sunt date pentru o tonă de oțel topit.
În urma calculelor efectuate rezultă Winc = 2,5223 k Wh la o tonă tonă de oțel
lichid.
438 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
c) Energia introdusă de reacțiile de oxidare . În cuptorul electric se produc
reacții de oxidare a manganului, fosforului, cocsului și siliciului. Acest e reacții sunt
date de formulele :
C + O 2 = CO 2 + 34013 [kJ /kg C]
Si + 2 FeO = SiO 2 + 2 Fe + 11315 [kJ /kg Si]
Mn + FeO = MnO + Fe + 2182 [kJ /kg Mn]
2 P + 5 FeO = P 2O5 + 5 Fe + 2416 [kJ /kg P] (16.2)
Pentru evaluarea proceselor de ardere s-au folosit analizele inițiale medii ale
materialelor și rezultatele finale de labora tor. În șarja studiată au fost introduse
materialele , în cantitățile indicate în tabelul 16.1.
Încărcătura inițială, raportată la o tonă de oțel topit , are următoarea compo –
ziție medie aproximativă:
C = 0,18 %; P = 0,018 %; Si = 0,28 %; Mn = 0,884 %; S = 0,0 042%.
Analiza finală a condus la urmă toarea compoziție a șarjei :
C = 0,114 %; P = 0,014 %; Si = 0,02 %; Mn = 0,141 %; S = 0,0398 %.
Ținând seama de datele inițiale, de analiza finală cele două analize și de
cantitățile de material introduse, se obțin următoar ele cantități de elemente arse:
Mangan (pentru o tonă de oțel topit)
din deșeuri feroase:
7240,9100884,0 1100
1 Mnm kg;
provenit din FeMn:
5000,370,000,52 Mnm kg;
total în încărcătură:
2 1 Mn Mn Mn m m m 13,2240 kg .
În oțelul lich id (pentru o tonă de oțel topit), conform analizei finale se
găsesc:
41,1100141,0 1000
3 Mnm kg mangan .
Rezultă că în timpul procesului de elaborare a oțelului s -au ars:
3 _ Mn Mn ars Mn m m m
13,224 – 1,41 = 11,8140 kg mangan .
Fosfor (pentru o tonă de oțel lichid):
Pe durata procesului de elaborare s -a ars o masă de fosfor
mp = 0,018 – 0,014 = 0, 004% ,
iar în oțelul lichid se regăsește o masă de fosfor
04,0100004,0 1000
_ arsPm
kg fosfor ars .
Carbon (pentru o tonă de oțel topit) :
Pe durata procesului de elaborare s -a ars o masă de carbon
mC = 0,18 – 0,114 = 0,066% ,
iar în oțelul lichid se regăsește o masă de carbon
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 439
66,0100066,0 1000
1_ _ arsCm kg carbon ars ,
la care se adaugă cocsul (8,94 kg), totalizând astfel:
5 1_ _ _ m m marsC arsC
8,94 + 0,66 = 9,60 kg C ars .
Siliciu (pentru o tonă de oțel topit) :
Pe durata procesului de elaborare s -a ars o masă de siliciu
mSi = 0,28 – 0,02 = 0, 26 % ,
iar în oțelul lichid se regăsește o masă de siliciu
6,210026,0 1000
1_ _
arsSim
kg siliciu ars .
De asemenea:
7010,11007043,2
_ FeSiSim
kg de sili ciu provenit din Fe -Si.
În timpul procesului de elaborare a oțelului au ars în total:
FeSiSi arsSi arsSi m m m_ 1_ _ _
2,6 + 1,7010 = 4,3010 kg Si .
Energia cedată la intrarea în reacție a fiecăruia din elementele menționate,
rezultă:
C = 9,4 6 kWh/kg ;
P = 3,14 kWh/kg ;
Si = 0,61 kWh/kg ;
Mn = 0,67 kWh/kg .
Pentru întreaga cantitate de elemente oxidate (arse) se obține :
C = 90,8160 kWh ;
P = 0,1256 kWh ;
Si = 2,6236 kWh ;
Mn = 7,9154 kWh .
Energia introdusă prin arderea electrozilor a fost calculat ă pe baza reacției de
trecere a carbonului în bioxid de carbon, dată de formula:
C + O2 = CO 2 + 9,45 kWh/ kg (16.3)
Consumul de electr ozi măsurat a fost de 2,43 kg/t. R ezultă că prin arderea
acestora s-a introdus în cuptor energie (pentru o tonă de o țel topit) :
We = 2,43 * 9, 45 = 22,9635 kWh ;
Energia totală consumată în urma reacțiilor de oxidare:
Wtot1 = WP + WSi + WMn + We = 0,1256 + 2,6236 + 7,9154 + 22,9635 =
= 33,6281 kWh ;
Wtot21 = 9,469,6 = 90,8160 kWh , prin arderea carbonului;
Wtot22 = 14 ,78 kWh, prin arde rea oxigenului (cantitate oxigen introdus:
1418 Nm3/t).
Energia totală Wtot2 introdusă de reacțiile de oxidare este:
Wtot2 = Wtot21 + Wtot22 = 105,5960 kWh pentru o tonă de oțel topit.
d) Energia introdusă de reacțiile de formare a z gurii . Aceste reacții se
440 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
produc între dioxidul de siliciu și pentaoxidul de fosfor, rezultat din arderea ele –
mentelor corespunzătoare din șarje și oxidul de calciu din calcar. Formarea zgurii
se produce după formulele :
2 CaO + SiO 2 = CaSiO 4 + 1534 kJ / kg ( SiO 2) (16.4)
și
4 CaO + P 2O5=Ca 4P2O9+ 5146 kJ /kg (P 2O5) (16.5 )
Pe baza relaților (16.4) și (16.5) rezultă că un 1 kg d e fosfor , în reacțiile de
formare a zgurii , eliberează o energie Ez2 = 1,43 kWh, iar 1 kg de siliciu eliberează
o energie Ez1 = 0,44 kWh.
Energia , introdusă din reacțiile de formare a zgurii, se calculează cu aceleași
mase de fosfor și siliciu cu care au fost calculate și energiile introduse de reacțiile
de oxidare.
Se obține astfel:
pentru relația (16.4)
1 _ 1 z arsSi z E m W
4,30100,44 = 1,8924 kWh;
pentru relația (16.5)
2 _ 2 z arsP z E m W
0,041.43 = 0, 0572 kWh.
Energia totală degajată de reacțiile de formare a zgurii este (pentru o tonă de
oțel topit) :
2 1 z z iz W W W
1,8924+0,0572 = 1,9496 kWh.
16.6 Calculul energiei utile
a) Energia electrică pentru topirea și supraîncălzirea șarjei se calculează
din relația [16.5] :
t si pm t pm u ck cm W ', (16.6)
în care m = 1100 kg este masa încărcăturii metalice; cpm = 0,7 kJ /kg °C – căldura
specifică a încărcă turii metalice până la temperatura de 1500°C; θt = 1450 °C –
temperatura de topire a încărcăturii metalice; k = 272 kJ /kg – căldura latentă de
topire a oțelului; c’pm = 0,836 kJ /kg° ; C – căldura specifică a oțelului peste
temperatura de 1500 °C; si = 1550 °C – temperatura de supraîncălzire a oțelului.
Calculele efectuate pe baza relației (16.6) permi t determinarea energiei Wu
electrică pentru topirea și supraîncălzirea șarjei
1450 1550 836,0 272 14507,036001100
uW 418,4477 kWh pentru
o tonă de oțel topit;
b) Energia electrică pentru topirea și supraîncălzirea zgurii până la 1650°C
se calculează cu relația :
)θ (Z Z Z Z z k c m W , (16.7)
în care mz este masa zgurii, egală cu suma componenților, adică:
SiO dedus din masa de siliciu ars și din raportul maselor moleculare :
msi = 44 /28;
calcar care intră în toată masa sa;
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 441
pentaoxidul de fosfor și oxidul de mangan a căror masă moleculară se
calculează ca pentru dioxidul de siliciu: mP5O2 = 7,29; mMnO = 1,29;
oxidul feros care trece în zgură.
Știind că s -au introdus 53,12 kg calcar, 0 kg de fluorură de calciu, iar
arderile de siliciu, fosfor și mangan sunt cele calculate mai sus , rezultă:
MnO ars Mn OP arsP Si arsSi z m m m m m m m m m _ 52 _ _ 6 3 . (16.8)
În urma calculelor efectuate se obține
mz = 53,12 + 2 + 4,3010 1,5714 + 0,04 7,29 + 11, 81401,29 = 77,4104 kg;
Energia acumulată în zgură se determină cu relația
),θ (Z Z Z Z z k c m W (16.9)
în care se cunosc
cz = 1,246 kJ /kg °C – căldura specifică a zgurii;
θz = 1350°C – temperatura de topire a zgurii în momentul evacuării;
kz = 209 kJ/ kg – căldura latent ă de topire a zgurii.
Din relația (16.9) se obține :
7125,403600209 1350 246,1 4104,77zW
kWh pentru o tonă de oțel topit;
c) Energia electrică pentru producerea reacțiilor endoterme . Reacția de des –
compunere a calcarului necesită o cantit ate de energie care se determină din relația :
Wre = mcc, (16.10)
în care mc = 53,12 kg este masa de calcar introdusă în cuptor; c = 44% conținutul
de CO în calcar în [%]; 4038 kJ /kg – căldura specifică necesară pentru
descompunerea unui kg de calcar.
Din calculul efe ctuat cu ajutorul relației (16.10 ) rezultă
Wre = 53,120,444038/3600 = 26,2536 kWh pentru o tonă de oțel topit.
16.7 Energia electrică pentru acoperirea pierderi lor
Procesele tehnologice de elaborare a oțelului se caracterizează prin tr-o serie
de perioade distincte în care și pierderile au valori diferite de la o fază la alta. Din
această cauză, pierderile de energie se analizează pe fiecare fază în parte, după care
se totalizează pe categorii de pierderi.
Fac excepție pierderile de energie prin radiația și convecția suprafețelor
exterioare ale pereților vetrei și bolții , la nivelul suprafeței electrozilor, prin apa de
răcire, care, datorită dificultăț ilor care apar la calculul pe faze, se vor determina pe
întreaga șarjă. Uneori și pi erderile din gazele degajate, precum și cele electrice se
determină pe întreaga șarjă.
16.7.1 Calculul pierderilor de energie în perioada de topire
În această perioadă au loc următoarele categorii de pierderi:
442 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
a pierderi prin radiația și convecția s uprafețelor exterioare ale pereților
vetrei și bolții;
b pierderi prin radiație și convecție la nivelul suprafeței electrozilor;
c pierderi în apa de răcire;
d pierderi în gazele degajate;
e pierderi prin capetele electrozilor ieșite în afara cupt orului;
f pierderi în circuitele electrice.
Dintre pierderile enumerate mai sus, în cazul general, nu pot fi determinate
cele prin capetele electrozilor care ies în afara cuvei cuptorului, datorită dificul tă-
ților care apar la efectuarea unor as tfel de măsurători. A ceste pierd eri sunt estimate
la cel mult 1 % din bilanțul total de energie pierdută și pot fi luate ca atare în
considerare la închiderea bilanțului.
O serie de consumuri, ca cele pentru acoperirea pierderilor prin gazele
evacuate sau cele pe ntru formarea zgurii, se determină, în cazul general, numai
global pe întreaga șarjă, având în vedere faptul că toate cantitățile din diversele
mater iale introduse în cuptor s -au determina global pe întreaga șarjă. Pierderile
electrice au fost de asemenea determinate numai pe întreaga șarjă.
a) Pierderi de energie prin radiație și convecție la nivelul suprafețelor
exterioare ale pereților cuptorului, bolții și vetrei . Aceste pie rderi se calculează cu
următoarele relații [16.5] :
pierderile prin radiație:
4 4
100 100ex inreT TStc W
, (16.11)
pierderile prin convecție:
4θθθθ 2,2ex in ex in ce St W , (16.12)
în care se introduc mărimile:
t = 118 min = 1,9667 h – durata fazei de topire;
Sp = 35,09 m2 – aria suprafaței pereților exteriori verticali;
Sb = 30,12 m2 – aria suprafaței exterioare a bolții cuptorului;
Sv = 27,71 m2 – aria suprafaței exterioare a vetrei cuptorului;
c = 20,73 kJ /m2 K – coeficient ul de radiație a l unui corp negru absolut, cu
care este asimilat cuptorul în timpul acestei perioade;
Tp = 428 K – temperatura medie a pereților exteriori verticali;
Tb = 583 K – temperatura medie a suprafeței exterioare a bolții;
Tv = 442 K – temperatura medie a suprafeței exterioare a vetrei;
θP = 155 oC – temperatura medie a pereților exteriori verticali;
θb = 310 oC – temperatura medie a suprafeței exterioare a bolții;
θV = 169 oC – temperatura medie a suprafeței exterioare a vetrei.
Rezultă că pierderilor prin radiație sunt:
Wrp = 106,1766 kWh ;
Wrb = 371,1744 kWh ;
Wrv = 98,3376 kWh .
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 443
Pierderilor prin conve cție rezultă :
Wcp = 85,0156 kWh ;
Wcb = 185,2625 kWh ;
Wcv = 75,6297 kWh .
Pierderile totale de energie prin radiație și convecție We ale suprafețelor
exterioare ale pereților, bolții și vetrei cuptorului se calculează din relația
We = Wrp + Wrb + Wrv +Wcp + Wcb + Wcv . (16.13)
În urma calculelor efectuate rezultă We = 921,5964 kWh .
b) Pierderile de energie datorate căldurii radiate de suprafața interioară a
cuptorului se determină din relația [16.5] :
4 4
100 100φex inriT TtS c W
, (16.14)
în care:
t = 118 min = 1,9667 h – durata fazei de topire;
c = 20,73 kJ /m2 K – coeficient ul de radiație a l unui corp negru absolut, cu
care este asimilat cuptorul în timpul acestei perioade;
Tin = 1173,15 K – temperatura medie a interiorului cuptorului;
Tex = 288,15 K – temperatura medie exterioară;
S1= 1,29 m2 – aria suprafaței ușii de lucru;
S2 = 0,02 m2 – aria suprafaței orificiului de evacuare;
1 = 0,62 – factorul de diafragmare pentru ușa de lucru;
2 = 0,44 – factorul de diafragmare pentru orificiul de evacu are;
În urma calculelor efectuate cu relația (16.14) s e obține:
pentru ușa de lucru:
kWh 2099,17110015,288
10015, 11731,966772,162,073,204 4
riW
,
pentru orificiul de evacuare:
riW
Wri = 1,8838 kWh .
Energia totală pierdută prin radiația pereților interiori în perioa da de ajustare
este:
Wri,total = Wri,usa + Wri,orificiu = 173,0925 kWh .
c) Energia pierdută prin radiație și convecție la nivelul suprafeței electro –
zilor se determină din relațiile (16.11) și, respectiv, (16.12) în care se introduc
mărimile:
t = 118 mi n = 1,9667 h – durata fazei de topire;
c = 20,73 kJ /m2K – coeficientul absolut de radiație pentru grafit;
S = nld = 7,9128 m2 – aria suprafaț ei radiante a electrozilor;
d = 0,350 m – diametrul electrozilor;
l = 2,4 m – lungimea electrozilor;
n = 3 – numărul electrozilor;
444 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Te = 1173,15 K – temperatura medie a electrozilor;
θe = 900 °C – temperatura medie a electrozilor;
Tex = 288,15 K – temperatura medie exterioară ;
θex = 15 °C – temperatura medie a mediului ambiant.
Calculele efectuate conduce la rez ultatele
pentru pierderile prin radiație:
Wre = 1693,8 kWh ;
pentru pierderile prin convecție:
Wce = 192,1606 kWh .
Pierderile totale de energie prin radiație și convecție la nivelul electrozilor
rezultă:
Wrce = Wre + Wce= 1886,0 kWh .
d) Energia pierdută cu apa de răcire se determină din relația
t q c Wi e a ar γ)θθ( , (16.15)
în care
ca =4,18 kJ/kg C căldura specifică a apei;
=1000 kg/m3 – densitatea apei;
t = 1,9667 h – durata perioadei de topire;
θi = 21°C – temperatura apei care in tră în sistemul de răcire;
θe1= 25° C – temperatura apei care iese din sistemul de răcire al ușii de lucru;
θe2 = 25°C – temperatura apei care iese din sistemul de răcire al electrozilor;
q11 = 325 m3/h – debitul apei de răcire a cuvei, ușii de lucru;
q12 = 234 m3/h – debitul apei de răcire a b olții;
q13 = 175 m3/h – debitul apei de răcire a părților mecanice (grinzilor);
q1 = q11 + q12 + q13 = 734 m3/h – debitul apei d e răcire a cuvei, ușii de lucru,
bolții și a p ărților mecanice (grinzi);
q2 = 33 m3/h – debitul apei de răcire a electrozilor;
Pierderile de energie cu apa de răcire în sistemul de răcire al cuvei, ușii de
lucru, bolții și a p ărților mecanice (grinzi) rezultă :
3600γ)θθ(1 tq c Wi e a ar
=
= 4,18(25-21)7341,96671000 /3600 = 6714,1 kWh
Pierderil e de energie la nivelul suprafeței electrozilor datorate apei de răcire:
t q c Wi e a ar λ)θθ(2
=
= 4,18(25-21)311,946671000 /3600 0 = 283,57 kWh
Pierderile totale de energie prin apa de răcire sunt :
War = War1 + War2 = 6997,7 kWh .
16.7.2 Calculul pie rderilor de energie prin gazele degajate
În determinarea acestor pierderi, s -a luat în considerare faptul că o parte din
oxigenul necesar arderii este preluat din atmosferă împreună cu azotul
corespunzător proporției normale de aer. Căldura necesară încă lzirii dioxidul ui de
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 445
carbon se determină din relația [16.6] :
g PCO CO gl t c V W 2 2 , (16.16)
în care:
VCO2 = mC_ars 22,4/12 = 9,60 22,4/12 = 17,92 Nm3;
mC_ars = 9,60 kg C ars (pentru 1 tonă de oțel topit) – masa carbonului ars;
cPCO 2 = 2,14 kJ /Nm3 C – căldura specifică a CO 2 la presiune constantă și
temperatura de 800 °C;
tg = 800°C – temperatura gazelor evacuate.
Din relația (16.16) rezultă:
36002 2 g PCO CO
glt c V
W
= 17,922,14800/3600 = 8,53 kWh
Căldura necesară încălzirii azotului din aerul i ntrodus odată cu oxigenul, se
determină din relația :
g PN N g t cV W 2 , (16.16)
în care volumul de azot este determinat în funcție de volumul necesar de oxigen
asociat dioxidului de carbon.
VN = 3,76(VCO21 + VCO22 + VCO23 + VCO24), (16.17)
În relația (16.17), valoarea 3,76 corespunde relației dintre volumul de CO 2 la
presiune constantă și temp eratura de 800 °C și volumul de azot.
Volumul oxigenului necesar pentru arderea carbonului
VCO21 =mc,ars 22,4/12 = 9,60 22,4/12 = 17,92 Nm3 ;
Volumul o xigenului necesar pentru arderea siliciului
VCO22 = VSiO2 = mSi,ars 22,4/24 = 4,3010 22,4/24 = 4,0143 Nm3 .
Volumul oxigenului necesar arderii fosforului
VCO23 = VP2O5 = mP,ars (522,4)/(231) = 0,04 (522,4)/(231) = 0,0723 Nm3
Volumul oxigenului n ecesar arderii manganului
VCO24 = VMnO = mMn,ars 22,4/(255) = 11,814022,4/(255) = 2,4058 Nm3
Dacă se are în vedere căldura specifică a azotului la presiune constantă și
temperatura gazelor evacuate de tg = 800 °C egală cu cpN = 1,374 kJ/Nm3 C, din
relația (16.17) rezultă
VN = 3,76(17,92+4,0143+0,0723+2,4058) = 91,7902 Nm3.
Din relația (16.16), căldura necesară încălzirii volumului de azot rezultă
Wg2 = 91,79021,374800/3600 = 28,0067 kWh .
Pierderile totale de energie prin gazele arse sunt egale cu :
Wga = Wg1 + Wg2 = 8,5349 + 28,0067 = 36,5416 kWh .
16.8 Bilanțul energiilor
Energia intrată în contur este
Wi = 35700 kWh
Energia ieșită din contur , pentru cele 57 tone ale încărcăturii, rezultă
We,total = (Winc + Wtot1 – Wtot2 – Wiz + Wu + Wz + Wre+ Wga)57 +
+ We + Wri,tot + Wrce + War = 35660 kWh
35700 kWh
Se observă faptul că bilanțul pe contur practic se închide
446 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Wi We,total
16.9 Diagrama Sankey
Pe baza datelor calculate este întocmită diagrama Sankey (fig. 16.3), iar în
figura 16.4 este indicat un bilanț optimizat pentru un cuptor modernizat.
16.10 Concluzii
Pentru reducerea consumului specific este necesară asigurarea continuit ății
procesului. Pauzele din procesul tehnologic sunt însoțite de importante pierderi de
energie electrică.
Una dintre soluțiile cele mai eficiente de creșterea a producției de oțel este
reducerea duratei sarjei prin creșterea intensității curentului în arcul electric.
Controlul în timp real al puterii reactive cerute Q poate determina atât
limitarea penalizărilor legate de funcționarea cu un factor de putere redus, cât și
menținerea constantă a tensiunii la borne, cu creșterea intensității curentului în
arcul electric.
Funcționarea arcului electric poate conduce la o importantă nesimetrie în
rețeaua electrică de alimentare.
Winc=222,96 kWh
Reacții exoterme
W=Wtot2+Wiz=13136,51 kWh
Wz =3482,36 kWh
Wre =2284,06 kWh
We =781,45 kWh
Wri,total = 178,57 kWh
Wrce = 2451,4 kWh
War = 6298,1 kWh Wi = 47 110 kWh
Wga = 4764,39 kWh
Fig. 16.3 Diagrama de bilanț a șarjei analizate –
Cuptor electric . Wtot1= 2959,15 kWh
Wu = 36877,99 kWh
Audit energetic la un cuptor cu arc electric 447
Din analiza diagramei pierderilor se poate spune că circa 75% din energia
electrică consumată în cadrul procesului de topire al oțelului pe o șarjă, este
transformată în energie utilă, iar re stul de 25% din energia e lectrică consumată
reprezintă pierderi tehnologice.
În cadrul procesului de topire p ot să apară variații mari de tensiune ce sunt
însoțite de un nivel foarte ridicat al indicatorilor de flicker ( Pst și Plt).
Utilizarea unui sistem de tip SVC (Static Var Compensator) pentru controlul
în timp real al puterii reactive oferă următoarele beneficiile: c reșterea
productivității; economia de energie; consumuri reduse de electrozi; reducerea
pierderilor de căldură; creșterea duratei de viață a căptușelii interne a cuptorului.
Introducerea unui sistem de monitorizare de tip SCADA oferă operatorului
posibilitatea de a supraveghea, de a exercita și de a i se confirma executarea
comenzilor asupra unor echipamente specifice, îndeplinirea acestui s cop făcând ca un
sistem SCADA să fie constituit toate dispozitivele de comandă, semnalizare și
telemăsurare de la centrul de comandă și toate echipamentele corespunzătoare
situate în stațiile electrice .
Pierderi electrice
45 kWh (8%)
Reacții exoterme
155 kWh (27%)
Reacții endoterme
25 kWh (4,6%)
Pierderi prin ardere material
43 kWh (7,5%)
Pierderi prin gaze evacuate
57 kWh (10%)
Pierderi prin apa de răcire a pereților
69 kWh (12%)
Pierderi termice prin pereți
13 kWh (2,3%)
Pierderi termice în zgură
59 kWh (10%) Energie electrică
absorbită
571 kWh (100%)
Căldură utilizată
în cuptor
681 kWh (164%)
Căldură utilă
1680C
415 kWh (72,6%)
Fig. 16.4 Bilanț ul energetic al unui cuptor cu arc electric de
57/80 t (pe tona de oțel turnat), răcit cu apă.
448 Instalații electr oenergetice și elemente de audit industrial
Bibliografie
[16.1] Golovanov N., Postolache P., Toader C., Eficiența și calitatea energiei electrice , Editura
AGIR, București, 2008.
[16.2] *** Metodologie audit
[16.3] Golovanov Carmen, Albu Mihaela, Probleme moderne de măsurare în electroenergetică ,
Editura Tehnică, Buc urești, 2002.
[16.4] *** EN 50160
[16.5] Golovanov N., Șora I., Electrotermie și electrotehnologii. (Vol.1 și 2) Editura Tehnică,
București, 1997.
[16.6 ] Rudolph M., Schaefer H., Elektrothermische Verfahren. Grundlagen. Technologien .
Anwendungen , Springer Verlag, Berlin, 1989.
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: Argumentarea necesității stringente [603569] (ID: 603569)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.