Calculul Retelelor Electrice de Distributie a Energiei Electrice

LUCRARE DE LICENȚA

Calculul rețelelor electrice de distribuție a energiei electrice

Cuprins

1 Caracteristici generale ale sistemelor electroenergetice actuale

1.1 Definirea și structura sistemului electroenergetic

1.2 Instalații electrice de producere a energiei electrice

1.3 Instalații electrice de transport și distribuție a energiei electrice

1.4 Instalații de utilizare a energiei electrice

1.5 Instalații auxiliare

1.6 Caracteristici tehnico-economice ale SEE

1.7 Cerințe impuse in funcționarea SEE

1.7.1 Exigența consumatorilor în ceea ce privește siguranța în alimentare și calitatea energiei electrice

1.7.2 Cerințe ecologice și de integrare în eco-socio-sistem

1.8 Regimuri și stări de funcționare ale SEE

1.9 Elementele de teoria circuitelor în regim sinusoidal

2 Modelarea componentelor sistemului electroenergetic

2.1 Linii electrice

2.1.1 Modelul matematic și scheme echivalente

2.2 Performanțele liniilor electrice de transport. Expresiile puterilor transportate

2.3 Generatorul sincron

2.4 Reprezentarea parametrilor în unități relative

3. Căderile și pierderile de tensiune în liniile și rețelele electrice

3.1 Linie electrică simplă care alimentează unul sau mai mulți consumatori

3.2 Pierderi de putere în rețele electrice

3.2.1 Calculul pierderilor de putere

4. Aplicație. Calculul căderilor de tensiune . Calculul pierderilor de puteri

4.1 Parametrii rețelei

4.1.1 Metoda triunghiului

4.1.2 Calculul puterilor transportate pe linii

4.2 Calculul căderilor de tensiune

4.2.1 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-B

4.2.2 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-C

4.3 Calculul pierderilor de putere activă si reactivă

4.3.1 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-B

4.3.2 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-C

4.3.3 Calculul randamentului liniilor

4.5 Calculul căderilor de tensiune cu secțiunea mărită

4.5.1 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-B

4.5.2 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-C

4.6 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă cu secțiunea mărită

4.6.1 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-B

4.6.2 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-C

4.6.3 Calculul randamentului liniilor după ce am mărit secțiunea

5 Aplicație în mediul de simulare NEPLAN

Concluzii

Bibliografie:

Anexe

Introducere:

Sistemul electroenergetic (SEE) reprezintă ansamblul instalațiilor destinate producerii, transportului, distribuției și utilizării energiei electrice având drept scop alimentarea consumatorilor. Compoziția SEE poate fi sistematizată prin: surse, rețea de transport, rețele de distribuție și consumatori.

Calculul rețelelor electrice de distribuție a energiei electrice se referă la aspectul numit exploatare, când se determină pierderile de putere, energie și tensiune pe o linie căreia i se cunosc parametrii și sarcinile, respectiv calculul de proiectare, când se dimensionează linia cunoscând încărcarea electrică, tensiunea și lungimea liniei.

Rețelele de distribuție a energiei electrice sunt utilizate la distribuția energiei la nivel zonal, ele făcând legătura dintre transportatori de energie electrică și consumatori. Acestea trebuie să fie concepute, realizate și exploatate astfel încât să îndeplinească condiții optime sub aspectul economic, al creșterii gradului de siguranță în alimentarea consumatorilor, micșorării duratei de realizare a lucrărilor, cât și a unor investiții cu cheltuieli de exploatare minime. Toate acestea impun o analiză amănunțită a stucturilor si caracteristicilor acestor rețele, necesitând reconsiderarea unor soluții tradiționale și schimbarea valorilor unor parametrii care intră în componența acestor instalații.

În etapa actuală de dezvoltare a sistemului electric național, deoarece au apărut unele aspecte noi privind economia de energie, s-a dat o extindere mai mare a problemelor referitoare la consumurile proprii tehnologice în rețele și celor legate de calculele tehnico-economice în alegerea variantelor de construcție, deoarece acestea sunt pârghii importante în realizarea obiectivului propus.

Am ales această temă întrucât rețelele de distribuție a energiei electrice sunt utilizate la nivel zonal iar calculul acestora are o importanță deosebită în îmbunătățirea acestora. Prin îmbunătățirea acestora se înțelege unn randament mai bun în distribuția energiei ceea ce se reflectă în special in costul energie la consumator.

Scopul lucrării este de a determina parametrii rețelei și de a aduce o îmbunătățire asupra acestora, în cazul meu o creștere a secțiunii și micșorarea pierderilor.

1 Caracteristici generale ale sistemelor electroenergetice actuale

1.1 Definirea și structura sistemului electroenergetic

Noțiunea de sistem cunoaște o largă utilizare în diverse domenii. În sens general, un sistem se definește ca fiind o grupare de elemente organizate astfel încât să execute, la comandă, o funcție determinată. Definiția înglobează o mare varietate de sisteme: fizice (sisteme de telecomunicații, de transport, procese de fabricație), economice (distribuirea de produse, servicii) sau biologice.

Sistemul energetic reprezintă ansamblul activităților de producere, transport și consum a energiei de toate formele, organizate pe un anumit teritoriu. Sub acest ultim aspect, se poate vorbi despre sisteme energetice regionale, naționale și continentale. Producerea si consumul de energie sunt procese de transformare a energiei dintr-o formă în altă formă.

Energia primară reprezintă forma sub care energia se găsește în natură: energia combustibililor fosili, energia hidraulică a apei, energia eoliană, energia solară, energia nucleară.

Energia utilă denumește formele sub care omul utilizează energia, diferită de formele în care aceasta se găsește în natură: energia termică, energia mecanică, energia radiantă, energia chimică.

În procesul de transformare a formelor de energie primară în energie utilă se utlilizează forme de energie intermediară, cum este energia electric cu o serie de proprietăți care devin avantaje față de alte forme de energie:

• Se obține ușor din alte forme de energie;

• Se transformă ușor și cu randamente ridicate în alte forme de energie;

• Se transmite economic și practic instantaneu la distanțe mari;

• Este o formă de energie curată, fără impact major asupra mediului ambiant;

• Se distribuie la un număr mare de consumatori de puteri diferite cu ajutorul rețelelor electrice.

Energia electrică este forma de energie intermediară care se poate transforma în toate formele de energie utilă. Metodele de conversie ale energiei electrice în alte forme de energie finală fac obiectul unor domenii de studiu distincte: Iluminat electric, Electrotermie, Acționări electrice, etc.

Sistemul electroenergetic (SEE) reprezintă o componentă a sistemului energetic care cuprinde ansamblul activităților de producere, transport, transformare, distribuție și utilizare a energiei electrice și este format din următoarele mari părți:

• Instalații electrice de producere a energiei electrice adică centralele

electrice;

• Instalații electrice de transport și distribuție a energiei electrice

adică rețelele de transport și distribuție;

• Instalații de utilizare a energiei electrice sau consumatorii

electrici;

• Instalații auxiliare.

1.2 Instalații electrice de producere a energiei electrice

Energia electrică se produce în centrale electrice care reprezintă un complex de instalații care transformă o formă de energie primară în energie electrică. În functie de sursa de energie primară, principalele tipuri de centrale electrice sunt: centrale termoelectrice, centrale hidroelectrice și centrale nuclearoelectrice. În prezent sunt utilizate tot mai mult centralele eoliene și fotovoltaice precum și energia din biomasă, mai ales în zonele izolate (surse de energie regenerabilă).

Centralele termoelectrice (CTE) produc energie electrică sau energie electrică și termică prin transformarea energiei chimice a combustibililor (cărbuni, gaze naturale, combustibil lichid, deșeuri) în energie termică și a energiei termice în energie mecanică, pe baza unui lanț de transformări. Transformarea energiei mecanice în energie electrică se face, cu randamente foarte bune în generatoare electrice sincrone și care reprezintă mașinile de bază ale centralelor electrice. În producția de energie electrică, CTE au rolul cel mai important, asigurând cca. 64% din producția mondială de energie electrică. La noi în țară puterea instalată în capacitățile Termoelectrica, la începutul anului 2008se situa la 5 600 MW.

Centralele hidroelectrice (CHE) utilizează ca resurse energetice primare căderile de apă naturale sau artificiale, mareele și valurile, transformând energia hidraulică a acestora în energie electrică prin intermediul energiei mecanice. Centralele hidroelectrice acoperă aproximativ 18% din producția mondială de energie electrică. În România, SC Hidroelectrica SA este al doilea producător de energie electrică, având în exploatare toate centralele hidroelectrice.La nivelul anului 2013 Hidroelectrica avea in patrimoniu 257 de hidrocentrale cu o putere instalată de 6375 MW, productia realizată in anul 2013 fiind de 14.822 GWh.

Centralele nuclearo-electrice (CNE) dețin în prezent o pondere de 17% din totalul energiei electrice produse în lume dar într-o serie de țări, cea mai mare parte a energiei electrice se produce pe această cale (Franța 78%). Principala atracție către energia nucleară rezidă în marea intensitate energetică a combustibilului nuclear. Energia solară se utilizează pentru producerea energiei electrice pe mai multe filiere. La nivelul heliocentralelor se produce căldură și apoi, prin evaporarea apei, abur. Energia electrică este produsă în continuare pe baza lanțului de conversie clasic al centralelor termoelectrice.

În cazul instalațiilor fotovoltaice, acestea sunt echipate cu fotocelule sau generatoare termoelectrice sau termoionice. Utilizarea energiei eoliene pentru producerea energiei electrice a devenit o soluție de interes după criza energetică din anii ’70. Puterea instalată totală a centralelor electrice din SEN la 01.11.2011 a fost de 21 405 MW, din care 30% în centrale hidroelectrice, 7% în centrale nucleare și 59% în centrale termoelectrice.

1.3 Instalații electrice de transport și distribuție a energiei electrice

Condițiile necesare pentru construcția centralelor electrice cât și plasarea nodurilor de racord la SEE, determină existența unor distanțe mari între locurile de producere și cele de consum ale energiei electrice.

În aceste condiții se impune construcția rețelelor electrice, care asigură transferul energiei de la sursă spre consumatori. Energia electrică produsă în centrale este transmisă spre consumatori prin rețele electrice, constituite din linii electrice, stații de transformare, stații de conexiuni și posturi de transformare. Structura rețelelor electrice influențează puternic siguranța în funcționare și economicitatea SEE.

Transmiterea energiei electrice spre consumatori se face la diferite niveluri de tensiune stabilite pe baza unor criterii tehnico-economice.

Tensiunilenominale, standardizate în România, între fazele rețelelor de curent alternative sunt: 0,4 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, (35) kV, 110 kV , 220 kV, 400 kV, 750 kV.

Liniile electrice se împart, din punct de vedere al scopului pentru care au fost construite în:

• Linii electrice de transport (LT), utilizate pentru vehicularea unor puteri electrice importante (de ordinul MW) la distante relativ mari. În țara noastră, transportul energiei electrice se face la tensiuni nominale de 220 kV, 400 kV, 750 kV. Ultimele două valori corespund nivelului de foarte înaltă tensiune (FIT), la care este ridicată tensiunea cu ajutorul stațiilor de transformare de evacuare (STE) amplasate în vecinătatea centralelor electrice.

• Linii electrice de distriă a combustibilului nuclear. Energia solară se utilizează pentru producerea energiei electrice pe mai multe filiere. La nivelul heliocentralelor se produce căldură și apoi, prin evaporarea apei, abur. Energia electrică este produsă în continuare pe baza lanțului de conversie clasic al centralelor termoelectrice.

În cazul instalațiilor fotovoltaice, acestea sunt echipate cu fotocelule sau generatoare termoelectrice sau termoionice. Utilizarea energiei eoliene pentru producerea energiei electrice a devenit o soluție de interes după criza energetică din anii ’70. Puterea instalată totală a centralelor electrice din SEN la 01.11.2011 a fost de 21 405 MW, din care 30% în centrale hidroelectrice, 7% în centrale nucleare și 59% în centrale termoelectrice.

1.3 Instalații electrice de transport și distribuție a energiei electrice

Condițiile necesare pentru construcția centralelor electrice cât și plasarea nodurilor de racord la SEE, determină existența unor distanțe mari între locurile de producere și cele de consum ale energiei electrice.

În aceste condiții se impune construcția rețelelor electrice, care asigură transferul energiei de la sursă spre consumatori. Energia electrică produsă în centrale este transmisă spre consumatori prin rețele electrice, constituite din linii electrice, stații de transformare, stații de conexiuni și posturi de transformare. Structura rețelelor electrice influențează puternic siguranța în funcționare și economicitatea SEE.

Transmiterea energiei electrice spre consumatori se face la diferite niveluri de tensiune stabilite pe baza unor criterii tehnico-economice.

Tensiunilenominale, standardizate în România, între fazele rețelelor de curent alternative sunt: 0,4 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV, (35) kV, 110 kV , 220 kV, 400 kV, 750 kV.

Liniile electrice se împart, din punct de vedere al scopului pentru care au fost construite în:

• Linii electrice de transport (LT), utilizate pentru vehicularea unor puteri electrice importante (de ordinul MW) la distante relativ mari. În țara noastră, transportul energiei electrice se face la tensiuni nominale de 220 kV, 400 kV, 750 kV. Ultimele două valori corespund nivelului de foarte înaltă tensiune (FIT), la care este ridicată tensiunea cu ajutorul stațiilor de transformare de evacuare (STE) amplasate în vecinătatea centralelor electrice.

• Linii electrice de distributie (LD), cu o configurație mai complexă și destinate vehiculării unor puteri relativ reduse, pe distanțe scurte și la un ansamblu limitat de consumatori. Liniile de distribuție a energiei electrice sunt cu tensiuni nominale de 0,4 kV, 6 kV, 10 kV, 20 kV , 110 kV.

În apropierea marilor concentrări de consum sunt amplasate stațiile de transformare și conexiune (STC). Cu ajutorul autotransformatoarelor FIT/IT (400-110 kV) se transmite energia în rețeaua de distribuție care funcționează la înaltă tensiune (IT). Prin intermediul liniilor de transport de înaltă tensiune, energia electrică este livrată direct marilor consumatori sau este adusă în apropierea unor concentrări de mici consumatori.

La liniile electrice de înaltă tensiune sunt racordate stațiile de transformare (ST), în care are loc coborârea nivelului de la înaltă tensiune la medie tensiune. Cu ajutorul liniilor electrice de distribuție de medie tensiune (MT) – 6 kV, 10 kV, 20 kV sunt alimentați consumatorii de medie tensiune.

Majoritatea consumatorilor sunt alimentați la joasă tensiune (JT) – 0,4 kV, prin intermediul posturilor de transformare (PT) racordate la liniile de distribuție de medie tensiune.

Din totalul de peste 950 de stații cu tensiunea nominală de peste 35 kV existente în SEN, circa 90% sunt de 110 kV. De asemenea, sunt în funcțiune peste 65 000 posturi de transformare, totalizând o putere instalată de peste 23000 MVA.

1.4 Instalații de utilizare a energiei electrice

Instalațiile de utilizare a energiei electrice sunt cunoscute sub denumirea de receptoare electrice. Un grup de receptoare legate printr-un scop tehnologic funcțional poartă denumirea de consumator electric.

Ansamblul instalațiilor electrice de distribuție și utilizare aferente unei instituții,

societăți comerciale sau colectivități poartă denumirea de zonă de consum.

Receptoarele de energie electrică din cadrul sistemelor electrice complexe pot avea o mare diversitate de caracteristici și pot fi alimentate din rețelele de joasă sau de înaltă tensiune. În calculul regimurilor de funcționare ale sistemelor electroenergetice, receptoarele de energie nu se iau în considerare în mod individual ci se constituie în grupuri de receptoare trifazate alimentate de pe barele de înaltă tensiune și formează consumatorul complex sau sarcina electrică complexă. În terminologia utilizată în domeniul electroenergetic consumatorul complex semnifică un dispozitiv conectat la sistemul electroenergetic care consumă putere activă și/sau reactivă și include consumatori individuali: motoare asincrone și sincrone, sarcini rezistive, redresoare etc.

1.5 Instalații auxiliare

Din această categorie fac parte instalații cu funcții de :

• asigurare și menținere a continuității alimentării cu energie electrică a consumatorilor;

• asigurare și menținere a calității energiei electrice:reglajul frecvenței, reglajul tensiunii, atenuarea regimurilor dezechilibrat si armonic ;

• asigurarea repartiției economice a puterii: controlul și reglajul puterilor;

• protecție a personalului împotriva electrocutării.

Se pot selecta două componente principale ale unui sistem electroenergetic:

a) rețeaua pasivă, constituită din elemente statice, sau rețeaua electric trifazată și

b) rețeaua elementelor dinamice formată din elementele active.

Elementele statice grupează componentele SEE a căror comportament static și dinamic se modelelază prin ecuații algebrice. În această categorie sunt incluse liniile electrice de transport și interconexiune, transformatoarele și autotransformatoarele electrice, onsumatorii statici, bobinele de compensare și bateriile de condensatoare.

Rețeaua pasivă sau rețeaua electroenergetică de transport și

distribuție a energiei electrice este formată din două tipuri de rețele electrice:

rețele de curent continuu și rețele de curent alternativ trifazat.

În ciuda faptului că începutul transportului energiei electrice s-a făcut în curent continuu, apariția ulterioară a transformatoarelor electrice, a circuitelor trifazate și mașinilor electrice trifazate a dus la supremația curentului alternative asupra curenului continuu, sistemele electroenergetice contemporane având la bază transportul în curent alternativ. Totuși, o serie de avantaje au determinat continuarea cercetărilor și dezvoltarea aplicațiilor în domeniul tehnicilor transportului de energie electrică prin sisteme la tensiune continuă.

Elementele dinamice grupează acele componente ale SEE a căror comportament static și dinamic se modelează atât prin ecuații algebrice cât și diferențiale. În această categorie sunt incluse generatoarele și compensatoarele sincrone, motoarele asincrone, dispozitivele avansate de control și reglaj FACTS.

Experiența acumulată în elaborarea modelelor matematice și simularea regimurilor nesimetrice și tranzitorii ale sistemelor electroenergetice demonstrează posibilitatea utilizării unui model matematic hibrid format din ecuații fazoriale pentru circuitele electrice trifazate statice și din ecuații diferențiale pentru circuitele mobile ale mașinilor electrice, generatoare sau motoare electrice. În aceste condiții este necesară utilizarea sistemelor auxiliare

de componente trifazate: componente scalare pentru elementele dinamice ale rețelei electrice (generatoare și motoare) și componente fazoriale pentru elementele statice (linii electrice și transformatoare).

1.6 Caracteristici tehnico-economice ale SEE

Sistemul electroenergetic, ca parte componentă a sistemului energetic, la rândul lui subsistem al eco-socio-sistemului național, prezintă o serie de trăsături particulare care determină abordări și tehnici de studiu specifice:

• Sistemul electroenergetic face parte din categoria sistemelor de dimensiuni mari, cu structură complexă din punct de vedere al extinderii în spațiu dar și al interacțiunii continue între subsistemele componente.

• Rețeaua electrică de transport cuprinde sute sau chiar mii de noduri la care sunt racordate centralele electrice și zonele de consum. Sistemul Electroenergetic Național cuprinde peste 1000 de noduri la nivele de tensiune de 400, 220 și 110 kV.

• Distanțele de transport a energiei electrice de la generatoarele centralelor electrice la consumatori depășesc uneori sute sau mii de kilometri;

• La procesul complex de producere, transformare, transport, distribuție și consum a energiei electrice participă un număr foarte mare de elemente, unele dinamice (turbine, generatoare, motoare), altele statice (transformatoare, linii electrice aeriene și subterane).

• Extinderea SEE implică eforturi economice foarte mari precum și o durată mare de execuție a obiectivelor, de ordinul lunilor sau anilor. Proiectarea și exploatarea sistemelor electroenergetice sunt acțiuni interdependente, SEE fiind într-o permanentă dezvoltare și modernizare. Prin urmare, proiectarea SEE nu se referă la planificarea unor noi instalații ci la soluții de dezvoltare și utilizare optimă a instalațiilor existente. De asemenea, exploatarea SEE nu se referă la un sistem finalizat ci la unul aflat într-o continuă dinamică.

• Produsul SEE, energia electrică, nu se poate înmagazina în cantități practic utile și astfel este necesar ca în fiecare moment consumul să fie corespunzător asigurat de producție. Numai intre anii 1970- 1990 cererile de energie electrică la nivelul planetei au crescut de 2,5 ori.

• Alimentarea zonelor de consum trebuie asigurată în mod continuu iar calitatea energiei electrice este necesar a fi menținută la un nivel corespunzător pentru a satisface necesitățile utilizatorilor. Categoriile și clasele consumatorilor precizează cu exactitate exigențele care determină soluția de alimentare, nivelul de rezervare și condițiile speciale de încadrare în sistem. Calitatea energiei electrice este apreciată prin indicatorii integrali de calitate ai tensiunii și frecvenței, prin gradul de nesimetrie a tensiunilor și prin puritatea

undei sinusoidale de tensiune.

• Considerentele de ordin tehnic și economic impun necesitatea conducerii optimale a sistemelor electroenergetice. Dintre funcțiile și activitățile conducerii operative a SEE, optimizarea regimurilor de funcționare are o importanță deosebită, având în vedere necesitatea utilizării eficiente a resurselor energetice disponibile. Optimizarea regimurilor de funcționare reprezintă una din activitățile complexe, de bază din sarcina conducerii operative și are ca principal obiectiv asigurarea funcționării sigure din punct de vedere tehnic și eficiente din punct de vedere economic a SEE.

• Spre deosebire de alte domenii, unde o extindere determină eventual doar creșterea cantitativă a problematicilor, în cadru SEE extinderea generează probleme calitativ noi, care vizează atât fiecare subsistem in parte, dar mai ales interacțiunile dintre acestea. Aici se evidențiază problema stabilității în funcționare cu cele două aspecte ale sale: stabilitatea unghiulară și stabilitatea de tensiune.

• SEE este un sistem dinamic, supus în permanență unor perturbații de diferite amplitudini și cu diferite evoluții în timp, care, în funcție de configurația sistemului și regimul de funcționare la un moment dat, pot afecta resursele și capacitatea acestuia de a-și îndeplini sigur, eficient și de calitate unicul scop: alimentarea consumatorilor.

Particularitățile menționate atribuie SEE caracteristici care determină ca analiza regimurilor de funcționare și problemele de proiectare, exploatare și control să fie extrem de complexe si pretențioase.

Direcțiile de dezvoltare în domeniul complex al sistemelor electroenergetice sunt jalonate de obiectivele generale de natură tehnică (siguranță, fiabilitate și complementaritate în asigurarea cererii consumatorilor), economică (asigurarea unui preț de cost minim al energiei), management eficient al resurselor primare (orientarea spre energii regenerabile) și protecția mediului.

Actualmente se pot distinge următoarele direcții prioritare în ceea ce privește exploatarea și dezvoltarea sistemelor electroenergetice:

1. Obiectivul creșterii rentabilizării utilizării resurselor energetice și necesitatea unui mecanism pentru protecția consumatorului de energie au condus la tendințe puternice de restructurare a sectorului energetic, manifestate prin procesele de liberalizare a pieței de energie și preocupări pentru conectarea progresivă a sistemelor electrice de putere naționale sau regionale.

Organizarea tradițională a sistemelor electroenergetice, integrate vertical, a fost înlocuită de separarea fizică și financiară a activităților de producere, transport, distribuție și furnizare, cu apariția de noi entități: producătorii independenți de energie, operatori de transport și sistem, operatori de piață, furnizori și brokeri de energie.

Crearea sistemelor electroenergetice interconectate este importantă din punct de vedere al siguranței în alimentarea consumatorilor și a restabilirii stării ca urmare a unor perturbații majore. De asemenea, interconectarea asigură gestiunea optimă a parcului de producție a energiei precum și implementarea pieței libere a energiei.

Crearea unei piețe unice de energie, concurențiale, de mari dimensiuni, asa cum este UCTE, contribuie la realizarea obiectivelor politicii energetic privind creșterea competitivității prin orientarea către consumator și asigurarea unui serviciu sigur, economic, de calitate și ecologic.

2. Apariția și dezvoltarea tehnicilor noi în transportul energiei electrice care tind să înlocuiască mijloacele tradiționale de coordonare și supraveghere ale sistemelor interconectate.

Noile progrese tehnologice în domeniul electronicii de putere au avut un impact important asupra transportului și utilizării energiei electrice în două mari clase de aplicații:

• Tehnica transportul energiei electrice la tensiune continuă (CCIT) care permite tranzite masive de energie electrică în condiții de calitate și economicitate, pe distanțe mari, specifice sistemelor interconectate. Astăzi transportul energiei electrice la tensiune continuă constituie un mijloc suplimentar important și de multe ori mai eficient, alături de transportul în curent alternativ.

• Dispozitivele FACTS (Flexible Alternativ Current Transmission System), cu rol în controlul circulațiilor de puteri și îndeplinirea condițiilor de siguranță în funcționare. Aceste dispozitive nu sunt noi în concept de bază, ci electronica de putere a revoluționat proiectarea și ingineria acestor echipamente.

Atributul „flexibil” atașat în definirea acestor echipamente se referă la capacitatea lor de reprofilare ca efect. Apariția și dezvoltarea susținută a tehnologiilor bazate pe electronica de putere au fost determinate de presiunile legate de îndeplinirea condițiilor de siguranță, utilizarea intensivă a liniilor de transport existente, stabilitatea de tensiune sau tranzitorie și a randamentului în funcționarea sistemelor electrice.

3. Activitățile de planificare-dezvoltare dar mai cu seamă cele de conducere operativă reclamă utilizarea unor sisteme informatice complexe, flexibile și eficiente, constituite din rețele de calculatoare de process interconectate prin sisteme de comunicații moderne.

Rezolvarea sarcinilor de conducere operativă a SEE complexe a condus, în ultimii ani, la realizarea de sisteme informatice integrate, specifice acestui domeniu al electroenergeticii. Nu se poate poate concepe un sistem competitive fără un sistem SCADA și un software energetic adecvat. Aceasta implică utilizarea atât a tehnicilor clasice, bazate pe calcule algoritmice, cât și a tehnicilor noi, de tip euristic, având ca suport experiența și cunoștințele acumulate de specialiștii din domeniul electroenergetic.

1.7 Cerințe impuse in funcționarea SEE

Proiectarea și exploatarea SEE are la bază necesitatea asigurării tuturor condițiilor pentru alimentarea consumatorilor cu energie electrică. Preocuparile pentru îndeplinirea acestui deziderat capătă un interes sporit datorită următorilor factori de ordin tehnic și economic:

1.7.1 Exigența consumatorilor în ceea ce privește siguranța în alimentare și calitatea energiei electrice

Alimentarea cu energie electrică poate fi privită ca un serviciu prestat, iar energia electrică ca un produs distribuit de furnizori consumatorilor. Nivelul de calitate al energiei electrice este un rezultat al influențelor reciproce furnizor-consumator, fiecare dintre părți fiind în același timp element perturbat și perturbator. Sub acest aspect, responsabilitățile fiecăreia dintre părți sunt stabilite prin cauze contractuale.

Pretențiile consumatorilor se referă la satisfacerea următoarelor cerințe:

a) Continuitatea în alimentarea cu energie electrică. Satisfacerea acestei cerințe înseamna a asigura alimentarea practic fără intrerupere sau la un nivel de intrerupere admis a consumatorilor, indiferent de regimul sau starea sistemului.

Un SEE trebuie astfel proiectat incât sa fie puțin probabil ca un consumator să fie lăsat fără alimentare. Asigurarea continuității în alimentarea cu energie electrică este în mare parte o problemă de configurație a rețelelor electrice și de siguranță în funcționare a elementelor de sistem, adaptate cerințelor și categoriilor de consumatori deserviți.

b) Calitatea energiei electrice. În sens larg, noțiunea de calitate a unui serviciu sau produs definește un ansamblu de caracteristici ce generează aptitudinea acestuia de a satisface necesitățile utilizatorului. Nivelul de calitate al energiei electrice este apreciat prin intermediul unor indicatori specializați în funcție de respectarea condițiilor referitoare la caracteristicile undei de tensiune.

Există următoarele perturbații și eventualele lor combinații care afectează calitatea energiei electrice:

b.1) Variațiile de frecvență. În regim normal de funcționare, variațiile de frecvență sunt datorate reglajului realizat la nivelul SEN ce nu poate fi influențat prin acțiuni locale. Conform normelor, calitatea energiei electrice la bornele unui consumator este admisibilă, din punct de vedere al frecvenței dacă aceasta nu depășește valoarea nominal cu ±(0,2÷0,5)%.

(1.7.1.1)

(1.7.1.2)

b.2) Variațiile amplitudinii undei de tensiune. Calitatea energiei electrice la bornele consumatorului este admisibilă, din punct de vedere al tensiunii, dacă aceasta nu depășește valoarea nominal cu ±(2÷10)%.

(1.7.1.3)

(1.7.1.4)

b.3) Modificarea formei de undă a tensiunii. Regimul de funcționare al SEE în care undele de tensiune și de curent sunt periodice iar cel puțin una dintre ele este nesinusoidală se numește regim deformant.

Curbele nesinusoidale de tensiune și curent conțin, pe lângă oscilația fundamentală o serie de oscilații parazite numite armonici superioare sau inferioare. Regimul deformant este produs de elemente deformante – redresoare, transformatoare, alte elemente neliniare – fiind apoi propagat și amplificat prin rețelele electrice de transport și distribuție. Cerința de puritate a undei de tensiune presupune lipsa armonicilor de tensiune sau limitarea acestora la un

nivel redus.

b.4) Nesimetria sistemului trifazat. Funcționarea SEE în regim nesimetric este provocată de gradul de încărcare inegal al celor trei faze ale sistemului. Neîndeplinirea condițiilor de nesimetrie a sistemului trifazat de tensiuni sau existența unei rețele dezechilibrate conduce la regimuri nesimetrice, caracterizate prin apariția unor componente de secvență inversă sau homopolară a tensiunilor de fază și a curenților din rețea.

1.7.2 Cerințe ecologice și de integrare în eco-socio-sistem

Utilizarea pe scară largă a energiei reprezintă o problemă acută pentru mediul înconjurător, sănătatea populației și a organismelor vii. În urma arderiicombustibilului din centralele electrice se degajă în atmosferă cantități mari de substanțe nocive, care contribuie la poluarea ecosistemelor. Combaterea emisiilor în atmosferă depinde de eficacitatea producerii, transportului și utilizării energiei și de crearea sistemelor energetice ecologic inofensive.

Rețelele electrice dispun de un potențial important de conservare a resurselor naturale care trebuie cunoscut și orientat corespunzător. Deși nu constituie surse de poluare majoră cum sunt alte instalații energetice, de exemplu centralele termoelectrice, rețelele electrice prezintă o serie de influențe negative asupra mediului înconjurător pe întreaga lor durată de viață. În acest cadru, formele de manifestare a impactului rețelelor electroenergetice asupra mediului înconjurător pot fi de natură:

a) fizică, prin ocuparea terenului, defrișarea vegetației, fragmentarea habitatelor;

b) electromagnetică, prin efectele câmpului magnetic și electric asupra organismelor vii și sistemelor de telefonie, radio și TV;

c) sonoră, prin zgomote produse de funcționarea rețelei sau de fenomenul corona;

d) mecanică, prin pericol în zone de traversări ale căilor de comunicație;

e) chimică, prin generarea de ozon și oxizi de azot datorită fenomenului corona;

Având în vedere că scopul principal al politicilor în domeniul electroenergetic îl constituie asigurarea continuă, stabilă, eficientă și inofensivă a energiei electrice, măsurile de promovarea a obiectivelor în domeniul impactului asupra mediului înconjurător sunt :

a) Măsuri de ordin legislativ, prin adoptarea unor programe de protecție a mediului înconjurător, alinierea la standardele și normele tehnice privind evaluarea impactului asupra mediului înconjurător;

b)Măsuri privind reglementarea utilizării resurselor energetice: conservarea energiei, eficiența energetică și structura resurselor energetice;

c) Măsuri de ordin tehnologic prin reducerea emisiilor de poluanți în aer, apă și sol, conservarea resurselor naturale în spiritul conceptului de dezvoltare durabilă prin sporirea accesului consumatorilor la centralele electrice verzi: centrale hidroelectrice mari, centrale solare sau eoliene.

Prin aceasta, rețelele electrice își suplimentează misiunea ecologică, contribuind la valorificarea resurselor energetice curate–regenerabile și reducerea aportului combustibililor fosili–epuizabili.

1.8 Regimuri și stări de funcționare ale SEE

Totalitatea stărilor (mărimilor) ce caracterizează funcționarea unui SEE la un moment dat definesc regimul de funcționare corespunzător momentului respectiv. În funcționarea SEE intervin două categorii principale de regimuri :regimuri staționare și regimuri tranzitorii .

Regimurile stationare sunt regimurile la care valorile efective ale mărimilor electrice și valorile mărimilor mecanice se păstrează constante în timp. În această categorie intră și regimurile de modificare foarte lentă a mărimilor datorate modificărilor staționare lente ale graficelor de sarcină ale consumatorilor.

Regimurile tranzitorii sunt regimurile de trecere de la un regim staționar, caracterizat de un set de parametrii de funcționare, la un alt regim stationar, au loc pe fondul unor fenomene cauzate de perturbații și pot să pericliteze funcționarea sistemului. Fenomenele tranzitorii au loc fie datorită unor acțiuni voite – deconectarea voită a unei linii, conectarea unui generator – fie din motive accidentale – scurtcircuite, întreruperi de faze, supratensiuni externe.

Fenomenele tranzitorii au o dinamică foarte rapidă de desfășurare, cuprinsă între cateva microsecunde (supratensiuni externe), până la o secundă când, corespunzător timpului de acționare al protecției, se stabilește un nou regim staționar de după avarie.

După gradul de afectare a fazelor sistemului trifazat, se deosebesc:

Regimuri simetrice care afectează în mod identic cele trei faze ale și deci păstrează simetria sistemului trifazat. În condiții normale un SEE este considerat simetric și echilibrat. Datorită simetriei existente între faze, studiul regimului se poate efectua pe o singură fază.

Regimurile nesimetrice nu păstrează simetria sistemului trifazat, fazele fiind incărcate în mod diferit. Există situații când gradul de dezechilibru al sistemului nu se poate neglija datorita unor nesimetrii: defecte transversale – scurtcircuite nesimetrice sau defecte longitudinale – întreruperi de fază. În acest caz se impune aplicarea metodelor din teoria sistemelor de componente.

Regimurile normale sunt regimurile a căror evoluție de desfășurare corespunde intenției operatorului uman sau sistemelor de protecție și automatizare ce acționează conform intenției operatorului uman.

Regimurile anormale sau regimurile de avarie se datorează unor fenomene aleatorii, neprevăzute, din punct de vedere al caracterului, locului, duratei și consecințelor și a căror desfășurare nu corespunde intențiilor operatorului uman.

Regimul staționar simetric normal este regimul permanent de funcționare al SEE și este caracterizat prin valori ale mărimilor electrice apropiate de valorile nominale, cu variații foarte lente în timp. Regimul permanent reprezintă regimul principal de funcționare, iar durata celorlalte regimuri este neglijabilă în raport cu acesta.

Calculul și analiza regimului permanent este o necesitate atât în activitatea de planificare a dezvoltării sistemului, pentru stabilirea configurației rețelelor electrice, cât și în activitatea de exploatare, pentru găsirea soluției optime de funcționare .

În realitate acest regim nu se realizează în mod riguros din diferite cauze:

a) existența elementelor neliniare care provoacă deformarea undelor de tensiune și curent;

b) elementele trifazate nu sunt perfect simetrice față de fazele sistemului;

c) existența unei variații continue a consumurilor de puteri active și reactive conform curbelor de sarcină precum și a proceselor de comutație reprezentate de elemente de sistem (grupuri generatoare, consumatori, linii electrice) care suferă procese de comutație.

Deși regimul permanent, în sensul definiției date, se realizează cu o mică probabilitate, majoritatea studiilor ce vizează comportarea SEE în diferite stări de funcționare presupun analiza regimului permanent de funcționare.

Securitatea unui SEE reprezintă capacitatea sistemului de a funcționa normal, chiar și în situația apariției unor accidente intempesive ale echipamentelor, numite contingențe. Securitatea sistemului este în general judecată în sensul capacității acestuia de a suporta impactul unor schimbări imprevizibile datorate pierderii unor linii de transport, transformatoare sau generatoare.

În analiza stării de securitate a SEE și descrierea acțiunilor de control în scopul asigurării și îmbunătățirii acesteia, se utilizează o clasificare a condițiilor de funcționare a sistemului în următoarele stări de funcționare:

a) Starea normală de funcționare. Prin stare „normală” se înțelege un regim de funcționare admisibil pentru rețeaua electroenergetică – tensiunile la bornele consumatorilor se încadrează în restricțiile de calitate impuse iar restricțiile termice nu sunt depășite. Obiectivul principal în controlul sistemului îl reprezintă minimizarea costurilor de transport (eficiența economică a procesului de exploatare). Acțiunile de control sunt de natură preventivă.

b) Starea de alertă este cea în care, în urma unor perturbații, o serie de restricții tehnologice sunt nerespectate. Sistemul poate funcționa în această stare un timp limitat.

c) Dacă sistemul se află în stare de alertă, la apariția unei contingențe suficient de severe, el poate ajunge în starea de urgență. În această stare anumite valori limită au fost atinse (scăderea frecvenței, violarea limitelor admisibile de tensiune, pierderea sincronismului generatoarelor sincrone).

Obiectivul controlului este contracararea unor noi degradări, în condițiile asigurării continuității în alimentarea consumatorilor. De această dată considerentele de ordin economic nu mai sunt prioritare. Sistemul poate fi readus în starea de alertă prin inițierea unor acțiuni de control și reglaj, ce se desfășoară fie la nivelul surselor (controlul excitației generatoarelor sincrone sau deconectarea generatorelor), fie prin comanda mijloacele tehnice specific (dispozitive de compensare și reglaj a puterilor), scăderea sarcinii.

d) Starea de restaurare este starea în care nu mai este posibilă satisfacerea alimentării cu energie electrică a tuturor consumatorilor. Obiectivul controlului este acela de a aduce rețeaua în acea stare în care toți consumatorii sunt alimentați din nou la parametrii inițiali.

1.9 Elementele de teoria circuitelor în regim sinusoidal

Reprezentarea în complex a mărimilor sinusoidale

y(t) = ymsin(ωt+α); (1.9.1) y(t) = ymsinω(t+α/ω); (1.9.2)

y = ymej(ωt + α); (1.9.3)

y = ym[cos(ωt + α) + jsin(ωt + α)]; (1.9.4)

y(t) =Im{y} = ymsin(ωt + α); (1.9.5)

y – valoarea momentană sau instantanee

ym – amplitudinea

γ(t) = ωt + α [rad] faza

γ(0) = α faza inițială

ω [rad/S] pulsația

f = ω/2π [Hz] frecvența

T = 1/f [S] perioada

(1.9.6)

(1.9.7) ; (1.9.8)

Y = 1/Z = I/U (1.9.9)

(1.9.10)

Puterea aparentă: S = UI (1.9.11)

Puterea activă: P = UI cos φ (1.9.12)

Puterea reactivă: Q = UI sin φ (1.9.13)

S = (1.9.14) P = S cos φ; (1.9.15) Q = S sin φ. (1.9.16)

P = UI cos φ = I2Y cos φ = U2Y cos φ = RI2 = GU2; (1.9.17)

Q = UI sin φ = I2Z sin φ = U2Y sin φ = XI2 = BU2; (1.9.18)

S = UI = I2Z = U2Y. (1.9.19)

Puterea complexă: S = U I*; (1.9.20)

S = U ejαI e-j(α-φ) = UI ejφ = S ejφ = UI (cos φ+j sin φ) = P+j Q. (1.9.21)

Sistemul trifazat simetric: U1 = U,

U2 = Ue-j2π/3,

U3 = Ue-j4π/3.

2 Modelarea componentelor sistemului electroenergetic

2.1 Linii electrice

2.1.1 Modelul matematic și scheme echivalente

Liniile electrice, ca elemente componente ale rețelei trifazate, sunt reprezentate de totalitatea liniilor electrice aeriene și in cablu. Pe baza considerentelor de ordin economic, liniile electrice aeriene sunt cel mai utilizate in transportul și distribuția energiei electrice, acolo unde condițiile de mediu nu impun alte restricții speciale. Liniile electrice aeriene (LEA) sunt destinate transportului energiei electrice de la centralele electrice la consumatori și de la stațiile de conexiune la utilizatori.

Liniile electrice de tensiune alternativă sunt caracterizate de:

Impedanța lineică longitudinală: x0=r0+jx0 , în [Ω/km];

Admitanța lineică transversală : y0=b0+jg0 , în [S/km];

în care:

r0 – rezistența lineică, in [Ω/km];

x0 – reactanța inductivă lineică, in [Ω/km];

g0 – conductanța transversală lineică, in [S/km ];

b0 – suspectanta capacitivă lineică, in [S/km];

LEA se reprezintă printr-o schemă echivalentă in π cu parametrii concentrați care conservă

parametrii longitudinali si divide parametrii transversali:

Fig 2.1.1 Schema echivalentă a liniei electrice de tensiune alternativă

Valorile parametrilor schemei echivalente se calculează cu relațiile:

Zij = = K1 lij z0 (2.1.1.1)

Yij0 = Yji0 = K2 lij y0 (2.1.1.2)

in care:

lij – lungimea liniei, in km;

K1, K2 – coeficienți de corecție;

Pentru liniile electrice a căror lungime nu depășește 250 km, valorile coeficienților de corecție K1 și K2 sunt aproximativ 1. In plus, conductanța transversală g0 are o valoare foarte redusă și poate fi neglijabilă. Din acest motiv in practica sistemelor electroenergetice, pentru calculul parametrilor schemei echivalente in π se folosesc următoarele relații aproximative:

Zij = lij z0 = rij + j xij (2.1.1.3)

Yij0 = Yji0 = lij y0 = j bij0 (2.1.1.4)

2.2 Performanțele liniilor electrice de transport. Expresiile puterilor transportate

Performanțele în exploatare a liniilor electrice de putere se traduc în capacitatea acestora de sigura transportul energiei electrice în condiții de siguranță, calitate, eficiență economică și stabilitate.

Capacitatea de transport a liniilor electrice necompensate cu tensiuni mai mari sau egale cu 220 kV, exprimată sub forma puterii maxime transmisibile PR , este evaluată utilizând ca bază puterea naturală P0 , pentru diferite lungimi ale liniilor electrice.

Din analiza graficului se desprind următoarele concluzii:

• Capacitatea de transport a liniilor electrice scurte este limitată de solicitările termice, până la valori PR =( 2 ÷ 2,5 )P0 ;

• În cazul liniilor electrice de lungime medie, capacitatea de transport este limitată de căderile de tensiune de-alungul acestora;

• La liniile electrice lungi capacitatea de transport este afectată de problemele de stabilitate.

Puterea aparentă complexă transportată pe linia electrică se exprimă cu relația:

Sij = Pij + jQij = Ui = U| (2.2.1)

în care curentul Iij ce străbate linia electrică se exprimă sub forma:

Iij = (Ui – Uj) yij + yij0Ui (2.2.2)

Unde:

(2.2.3)

Circulația de putere pe linie se scrie:

(2.2.4)

+ (2.2.5)

(2.2.6) (2.2.7)

(2.2.8)

Pierderi de putere:

= (2.2.9)

(2.2.10)

2.3 Generatorul sincron

Ecuațiile în regim permanent:

poli înecați; (2.3.1)

poli aparenți; (2.3.2)

Schema echivalentă în regim permanent a GS:

Fig 2.3.1 Schema echivalentă în regim permanent a GS

(2.3.3)

(2.3.4)

(2.3.5) (2.3.6)

(2.3.7) (2.3.8)

(2.3.9) (2.3.10)

(2.3.11)

Dacă :

(2.3.12)

2.4 Reprezentarea parametrilor în unități relative

circuite monofazate:

mărimea relativă (u.r.) = mărimea absolută/mărimea de bază

Sbază = Ubază * Ibază ; (2.4.1)

Sb = Ub * Ib ; (2.4.2)

Ub = Ib * Zb ; (2.4.3)

Se cunosc: Sb(MVA) și Ub (kV)

Ib = Sb/Ub; (2.4.4)

Zb = (Ub)2/Sb; (2.4.5)

Yb = Sb/(Ub)2; (2.4.6)

b) Circuite trifazate:

Sb/3-ф = 3Sb/1-ф; (2.4.7)

Ub/L = Ub/1-ф; (2.4.8)

Ib/L = SbUb/L = Sb/1-ф/Ub/1-ф = Ib/1-ф; (2.4.9)

Zb = (Ub/1-ф)2/Sb/1-ф; (2.4.10)

Z(u.r.)/nou= Z(u.r.)vechi*Sbnou/Sbvechi*(Ubvechi/Ubnou)2; (2.4.11)

2.5 Ecuațiile nodale ale rețelei electroenergetice

N – numărul de noduri independente: N=

L – mulțimea laturilor rețelei: L =

Ni – mulțimea laturilor incidente la nodul i;

Definirea curentului nodal complex : (2.5.1)

(2.5.2)

(2.5.3)

YnnUn = In (2.5.4)

Ynn = Gnn+jBnn (2.5.5)

Termeni matricii admitanțelor nodale:

(2.5.6) (2.5.7)

3. Căderile și pierderile de tensiune în liniile și rețelele electrice

Pentru calculele căderilor sau pierderilor de tensiune în rețelele electrice, este necesară cunoașterea distribuției curenților sau puterilor în fiecare latură. În cazul unei configurații radiale de rețea, simplă sau cu ramificații, distribuția aproximativă a curenților sau puterilor rezultă fără dificultate, aplicând teorema I a lui Kirchhoff, pornind de la ultimii consumatori către sursa de alimentare.

În rețelele electrice cu configurație buclată determinarea circulației curenților sau puterilor este mai dificilă, fiind necesare să se aplice metode speciale de calcul sau de reducere a rețelelor la forme mai simple, care să permită obținerea rapidă a unor rezultate cât mai exacte. Determinarea pierderilor și căderilor de tensiune va urmări fluxurile de putere în rețeaua reală și va permite stabilirea nodurilor în care tensiunea are variațiile cele mai mari în raport cu tensiunea nominală.

3.1 Linie electrică simplă care alimentează unul sau mai mulți consumatori

Linie electrică reprezentată printr-o impedanță

Pentru o linie electrică care alimentează un singur consumator și care este reprezentată prin impedanța sa, se definesc următoarele mărimi:

-căderea de tensiune pe fază reprezintă diferența geometrică dintre tensiunea simplă de la începutul liniei și cea de la sfârșitul acesteia:

(3.1.1)

componentele longitudinală și transversală ale căderii de tensiune:

;(3.1.2) ; (3.1.3)

În care reprezintă defazajul curentului în raport cu tensiunea de alimentare a consumatorului , , considerată ca origine de fază.

-pierderea de tensiune reprezintă diferența algebrică dintre tensiunea de la intrare și cea de la ieșirea din linie:

(3.1.4)

– unghiul de stabilitate, θ, reprezintă defazajul dintre cele două tensiuni, de la intrare și de la ieșirea din linie, a cărui valoare dă indicații asupra funcționării în paralel a rețelelor.

Dacă consumatorii de energie electrică sunt exprimați prin puterile lor monofazate P și Q atunci căderea de tensiune este egală cu :

(3.1.5)

În care Ia si Ir au fost înlocuiți din prima relație funcție de puterea activă si reactivă, relațiile pentru componenta longitudinală si cea transversală devin :

;(3.1.6) ; (3.1.7)

Când unghiul de stabilitate are valori mici, componenta transversală a căderii de tensiune se poate neglija, iar componenta longitudinală se identifică cu pierderea de tensiune (). Când unghiul de stabilitate are valori mai mari, pierderea de tensiune se poate scrie sub forma aproximativă :

(3.1.8)

Sau înca :

(3.1.9)

În care s-a constatat că:

Obișnuit căderea de tensiune se raportează la tensiunea nominală a instalației, care se identifică cu tensiunea între faze. În acest caz se poate scrie că :

; (3.1.10)

; (3.1.11)

în care P și Q reprezintă puterile trifazate, activă si reactivă, ale consumatorului .

Dacă linia electrică alimentează mai mulți consumatori expresiile componentelor căderii de tensiune sunt:

; (3.1.12)

; (3.1.13)

în care Rk și Xk reprezintă rezistențele și reactanțele măsurate de la capătul de alimentare al liniei, considerat punct de origine, până la nodurile în care se conectează sarcinile;

Dacă sarcinile consumatorilor sunt exprimate în puteri, atunci se poate scrie:

; (3.1.14)

; (3.1.15)

3.2 Pierderi de putere în rețele electrice

Pierderile în rețelele elctrice rezultă din diferența dintre energia generată în rețele și energia vândută consumatorilor de către distribuitor respectiv furnizor. Pierderile de putere și de energie au o mare influență asupra indicatorilor tehnico-economici întrucât aceștia se reflectă în costul de transport și distribuție și respectiv în costul de energie la consumatorul final.

Pierderile de energie includ trei mari categorii:

– Consum propriu tehnologic, aferent procesului de transport și distribuție a energiei în condițiile prevăzute prin proiectarea rețelelor electrice.

– Pierderi tehnice care apar datorită abaterilor de la regimul de funcționare proiectat in funcție de condițiile specifice de exploatare.

– Pierderi comerciale care se datorează erorilor de calcul sau facturare a energiei respectiv furtul de energie.

Pierderile de putere în rețelele electrice se datorează aproape in exclusivitate încălzirii liniilor și transformatoarelor la trecerea curentului. În rețelele cu tensiunea nominal Un≥110 kV se mai adaugă și pierderile datorate scurgerilor de curent în izolație și efectului corona, a căror reducere se ia în considerare înca din faza de proiectare, prin alegerea corespunzătoare a conductoarelor și realizarea unui anumit nivel de izolație.

3.2.1 Calculul pierderilor de putere

Pierderile de putere activă în elementele unei rețele electrice se determina cu relațiile:

În liniile electrice aeriene si subterane:

(3.2.1.1)

în care:

R – reprezintă rezistența unei faze la temperatura efectivă, în Ω;

I – curentul de calcul corespunzător puterii cerute, în A;

P,Q – puterile trifazate, activă și reactivă cerute, în kW respectiv în kVAr.

În transformatoarele electrice:

;(3.2.1.2)

În care:

– reprezintă pierderile de putere activă în miezul transformatorului, la mersul în gol al acestuia;

– pierderile în scurtcircuit sau în cupru, la sarcina nominală a transformatorului

– coeficientul de încărcare al transformatorului, determinat de raportul dintre sarcina reală și cea nominală.

Pierderile de putere reactivă în elementele unei rețele electrice se determină cu relațiile:

(3.2.1.3)

în care: X – reactanța pe faza, în Ω;

În transformatoarele electrice:

;

În care:

– curentul de mers in gol al transformatorului, în %;

– tensiunea de scurtcircuit a transformatorului, în %;

– puterea nominală a transformatorului.

4. Aplicație. Calculul căderilor de tensiune . Calculul pierderilor de puteri

Se dă rețeaua:

Fig 4.1 Schema rețelei de distribuție

4.1 Parametrii rețelei

4.1.1 Metoda triunghiului

Întrucât din datele de intrare ale rețelei se cunosc doar puterea activă si factorul de putere se vor utiliza o serie de formule pentru determinarea celorlalți parametrii.

Pentru determinarea puterii reactive vom utiliza metoda triunghiului puterilor:

sau

,

,

Pe baza acestor formule se întocmește tabelul:

Tabel 4.1.1.1 Parametri rețelei

Schema rețelei cu puterile consumate in fiecare nod:

Fig 4.1.1.1 Schema rețelei cu puterile consumate

4.1.2 Calculul puterilor transportate pe linii

Se întocmește tabelul:

Tabel 4.1.2.1 puteri pe linii

Schema rețelei cu puterile transportate pe fiecare linie:

Fig 4.1.2.1 Puterile transportate pe linii

În curent alternativ valoarea puterii consumate se calculează cu relația:

Astfel cunoascând valoarea puterii, a tensiunii și a factorului de putere, putem calcula valoarea curentului pe linia respectivă și astfel putem alege secțiunea conductorului pentru ca acesta să reziste la anumite valori ale curentului

Pentru fiecare linie se alege din catalogul pentru conductoare secțiunea liniei (S), rezistența lineică(r0) și reactanța inductivă lineică (x0).

Fig. 4.1.2.2 Catalogul conductoarelor de aluminiu

Se întocmește tabelul:

R0=r0·l[Ω], X0=x0·l[Ω]

Tabel 4.1.2.2 Parametri liniilor

4.2 Calculul căderilor de tensiune

Întrucât cunoaștem valoarile puterilor, a rezistenței și a reactanței vom utiliza formulele:

(4.2.1); (4.2.2)

Căderea de tensiune totală se calculează cu formula:

(4.2.3)

4.2.1 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-B

– căderile de tensiune longitudinale pe tronsonul A-B:

căderile de tensiune transversale pe tronsonul A-B:

Pe latura A-B:

Rezultă o cădere totală de tensiune de din Unominal;

4.2.2 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-C

– căderile de tensiune longitudinale pe tronsonul A-C:

căderile de tensiune transversale pe tronsonul A-C:

Pe latura A-C:

Rezultă o cădere totală de tensiune de din Unominal;

4.3 Calculul pierderilor de putere activă si reactivă

Pierderile de putere activă și reactivă se calculează cu relațiile:

(4.3.1)

(4.3.2)

4.3.1 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-B

4.3.2 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-C

4.3.3 Calculul randamentului liniilor

4.4 Îmbunătătirea rețelei

4.4.1 Modificarea secțiunii

Rezistența electrică este o mărime fizică prin care se exprimă proprietatea unui conductor electric de a se opune trecerii prin el a curentului electric. În electrotehnică, ea este o măsură care determină ce valoare de tensiune este necesară pentru ca un anumit curent electric să treacă printr-un circuit (conductor) electric dat. Unitatea de măsura a rezistenței electrice, în Sistemul Internațional, este ohm-ul, notat cu Ω.

Pentru un conductor omogen, valoarea rezistenței este :

unde:

ρ este rezistivitatea materialului din care este făcut conductorul, măsurată în ohm · metru/milimetru pătrat;

l este lungimea conductorului, măsurată în metri;

S este secțiunea transversală a conductorului, măsurată în milimetri pătrați;

A B

Astfel pentru o linie electrică de lungime căderea de tensiune devine:

Întrucât în rețeaua electrice parametri ca – rezistivitatea materialului din care este confecționat conductorul, l – lungimea liniei și I – curentul consumat rămân aceeași prin modificarea secțiunii (S) , adică prin creșterea acesteia se ajunge la o cădere de tensiune mai mică pe linie și astfel se reduc pierderile.

4.5 Calculul căderilor de tensiune cu secțiunea mărită

Am întocmit din nou tabelul cu secțiunile mărite:

Tabel 4.5.1 Parametrii liniilor recalculați

4.5.1 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-B

– căderile de tensiune longitudinale pe tronsonul A-B:

căderile de tensiune transversale pe tronsonul A-B:

Căderea de tensiune totală se calculează cu formula:

Pe latura A-B:

Rezultă o cădere totală de tensiune de din Unominal

4.5.2 Calculul căderilor de tensiune pe tronsonul A-C

– căderile de tensiune longitudinale pe tronsonul A-C:

-căderile de tensiune transversale pe tronsonul A-C:

Pe latura A-C:

Rezultă o cădere totală de tensiune de din Unominal

4.6 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă cu secțiunea mărită

4.6.1 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-B

4.6.2 Calculul pierderilor de putere activă și reactivă pe tronsonul A-C

4.6.3 Calculul randamentului liniilor după ce am mărit secțiunea

5 Aplicație în mediul de simulare NEPLAN

NEPLAN – Network Planning and Information System este un pachet de programe dedicat pentru proiectarea, simularea și analiza rețelelor și sistemelor electroenergetice folosind calculatoare personale. Acesta pune la dispoziția utilizatorilor un set de instrumente puternice și eficiente de modelare și calcul în domeniul energetic, care permit rezolvarea problemelor din faza de proiectare până în faza de exploatare. NEPLAN face parte dintr-o generație nouă de pachete software și reprezintă un program informatic necesar în ingineria și managementul transportului și distribuției energiei electrice. Sistemul informatic NEPLAN prezintă atât facilități grafice – editarea elementelor și generarea schemelor de conexiuni – cât și computaționale deosebite.

Pentru început am construit schema de start:

Fig 5.1 Schema de start

În momentul în care începem să introducem elementele rețelei trebuie ca să setăm parametri fiecărui element.

La introducerea nodurilor trebuie setat numele nodului, tensiunea nominală Un și frecvența acesteia (f).

Fig. 5.2 Parametrii nodului

La introducerea liniei se setează numele acesteia, lungimea l, rezistența lineică r0 , reactanța inductivă lineică x0 și materialul din care este confecționat conductorul. Rezistenșa lineică și reactanța inductivă lineică se aleg din catalogul conductoarelor in funcție de secțiunea conductorului.

Fig. 5.3 Parametrii liniei

La introducerea consumatorilor se introduce numele acestuia și se selectează grupa de parametri care se dorește a fi introduși. În cazul meu am ales puterea activă si factorul de putere, în setările consumatorului PC.

Fig. 5.3 Parametrii consumatorului

La introducerea datelor programul calculează automat puterea aparentă și puterea reactivă .

După introducerea elementelor și a parametrilor acestora se setează programul pentru a calcula căderile de tensiune și puterea transportată pe fiecare linie.

Fig. 5.4 Rețeaua calculată

Astfel programul ne arată căderea de tensiune în fiecare nod în procente și puterile transportate pe linii si cele absorbite de consumatori.

Pentru îmbunătățirea rețelei se vor modifica rezistența lineică r0 , reactanța inductivă lineică x0 .

După recalcularea rețelei se poate observa o scădere a căderilor de tensiune și a pierderilor de putere pe linie.

Fig 5.5 Rețeaua calculate cu secțiunea mărită

Pentru introducerea parametrilor liniei avem și posibilitatea de a selecta o secțiune direct dintr-un catalog de secțiuni pus la dispoziție de programul NEPLAN. Acesta in funcție de secțiunea aleasă ne setează automat parametrii r0 și x0.

Fig. 5.6 Alegerea secțiunii din catalog

Am refăcut o analiză a rețelei și astfel am obținut:

Fig. 5.7 Rețeaua cu toate datele calculate

De asemene avem posibilitatea de a vizualiza datele calculate de program sub formă de tabel.

Fig. 5.8 Rezultatele nodurilor

Fig. 5.9 Rezultatele liniilor și consumatorilor

Concluzii

n lucrarea dată am studiat calculul rețelelor de distribuție a energie electrice și am realizat calculul unei rețele de distribuție radială care are în componența sa opt noduri, șapte lini și șapte consumatori.

În capitolele unu, doi și trei am prezentat pe larg caracteristicile sistemului electroenergetic, modelarea componentelor SEE cu ecuațiile caracteristice unei linii electrice și performanțele acestora. Am mai prezentat teoria și formulele de calcul pentru căderile de tensiune și pierderile de putere activă și reactivă pe liniile electrice.

În capitolul patru am realizat calculul matematic asupra unei rețele de distribuție a energie electrice la care se cunosc ca date de intrare puterea activă, factorul de putere ți lungimea liniilor.

După realizarea calculelor s-a ajuns la rezultatele:

pe tronsonul A-B

căderea de tensiune este 10,75%

pierderea de putere activă este 299,64[kW]

pierderea de putere reactivă este 48,48[kVAr]

pe tronsonul A-C

căderea de tensiune este 9,9%.

pierderea de putere activă este 279,2[kW]

pierderea de putere reactivă este 47,9[kVAr]

În partea a doua a capitolului am înlocuit secțiunea liniilor cu una mai mare ca și valoare, s-a constatat o îmbunătățire a rețelei, se poate observa că la o creștere de doar 8 mm2 a secțiunii căderea de tensiune scade cu 1,75 % pe tronsonul A-B respectiv 1,9% pe tronsonul A-C, iar pierderile de putere activă se reduc cu 32,53[kW] respectiv cele de putere reactivă cu 1,17[kW].

pe tronsonul A-B

căderea de tensiune este 9%

pierderea de putere activă este 267,11[kW]

pierderea de putere reactivă este 47,31[kVAr]

pe tronsonul A-C

căderea de tensiune este 8,01%.

pierderea de putere activă este 246,2[kW]

pierderea de putere reactivă este 46,42[kVAr]

În ultimul capitol am studiat rețeaua în programul NEPLAN. Programul ne permite un studiu al căderii de tensiune pe fiecare linie precum și studiul pierderilor de putere. Prin modificarea parametrilor liniei s-au putut observa valorile căderilor de tensiune în funcție de acești parametrii.

Bibliografie:

I.Iordănescu, Gh.Iacobescu și alți – Rețele Electrice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1981

I.Iordănescu, Gh.Iacobescu și alți – Rețele Electrice Probleme – Editura Didactică și Pedagogică, București 1977

Traian G.Ionescu, Anibal Baciu – Rețele Electrice de Distribuție – Editura Tehnică

A.Buta , A.Pana – Transportul si distributia energiei electrice –Indrumator de proiecte, IPTv Timisoara 1997

O.Crișan – Sisteme Electroenergetice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1979

Dorin Cristescu, Lucia Pantelimon și Silviu Darie – Centrale și Rețele Electrice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1982

Basarab Guzman, George Darie și alții – Centrale, Stații și Rețele Electrice – Editura Academiei Române 2005

Bică Dorin – Curs Sisteme Electroenergetice și Rețele Electrice

Web:

Home

Anexe

Anexa 1

Bibliografie:

I.Iordănescu, Gh.Iacobescu și alți – Rețele Electrice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1981

I.Iordănescu, Gh.Iacobescu și alți – Rețele Electrice Probleme – Editura Didactică și Pedagogică, București 1977

Traian G.Ionescu, Anibal Baciu – Rețele Electrice de Distribuție – Editura Tehnică

A.Buta , A.Pana – Transportul si distributia energiei electrice –Indrumator de proiecte, IPTv Timisoara 1997

O.Crișan – Sisteme Electroenergetice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1979

Dorin Cristescu, Lucia Pantelimon și Silviu Darie – Centrale și Rețele Electrice – Editura Didactică și Pedagogică, București 1982

Basarab Guzman, George Darie și alții – Centrale, Stații și Rețele Electrice – Editura Academiei Române 2005

Bică Dorin – Curs Sisteme Electroenergetice și Rețele Electrice

Web:

Home

Anexe

Anexa 1