Echipamente de Producere Si Distributie a Energiei Electrice

CAP.II. ECHIPAMENTE DE PRODUCERE ȘI DISTRIBUȚIE A ENERGIEI ELECTRICE

II.1. CENTRALE ELECTRICE

Schemă de conexiuni a unei centrale trebuie să asigure evacuarea energiei electrice produse de generatoare direct la consumatori (dintre care unii sunt consumatorii proprii ai centralei) și/sau în sistemul electroenergetic.

Schemă electrică de conexiuni a unei centrale electrice depinde de o mulțime de factori, cum ar fi :

– tipul centralei electrice – CTE, CET, CNE, CHE etc.;

– numărul și puterea nominală a generatoarelor;

– regimul de funcționare al centralei;

– amplasarea centralei în raport cu rețeaua electrică a sistemului electroenergetic etc.

Există o destul de mare diversitate a schemelor de conexiuni ale centralelor electrice. Cu toate acestea schemele de conexiuni ale centralelor se pot grupa în câteva categorii dictate mai ales de puterea nominală a grupurilor centralei. Astfel, de exemplu, există categoria centralelor echipate cu grupuri de putere mică, la care caracteristic este faptul că generatoarele sunt racordate direct la stații de medie tensiune. În cazul centralelor cu grupuri de mare putere este caracteristică utilizarea schemelor bloc, care au pe partea electrică generatorul cuplat direct cu un transformator ridicător.

În acest capitol va fi prezentată sub formă de scheme de principiu doar acea parte a schemelor de ansamblu ale centralelor electrice care privește evacuarea energiei produse de generatoare la consumatorii externi centralei sau în sistemul electroenergetic. Partea care privește alimentarea consumatorilor proprii ai centralelor face obiectul capitolului următor[18].

Principalele criterii care trebuie avute în vedere la alegerea schemelor de principiu ale centralelor electrice se referă pe de-o parte la asigurarea calității în livrarea energiei electrice produsă în centrală, atât sub aspectul continuității, cât și sub aspectul parametrilor energiei, iar pe de altă parte se referă la realizarea unor scheme cu cheltuieli totale pe întreagă durata de viață cât mai mici.

SCHEME PENTRU CENTRALE CU STAȚII ELECTRICE DE EVACUARE A ENERGIEI ELECTRICE LA TENSIUNEA GENERATORULUI

În categoria acestor centrale intră cele echipate cu grupuri de putere mică, de regulă, sub 50 MW. Generatoarele cu astfel de puteri au că tensiune nominală o valoare din domeniul de medie tensiune (la noi în țară, cel mai frecvent, această tensiune este 6 kV) sau chiar din cel de joasă tensiune, dacă generatoarele sunt de putere foarte mică.

Pentru realizarea schemelor de conexiuni ale acestor centrale este economic că generatoarele să fie racordate direct la o stație de medie tensiune (de aceeași valoare cu tensiunea nominală a generatorului), prin care energia să fie evacuată direct la consumatori.Avantajul economic constă în faptul că energia produsă de generatoare ajunge direct în rețeaua de distribuție, fără a mai suferi transformări generatoare de pierderi suplimentare de energie electrică.

Două condiții trebuie îndeplinite pentru a realiza astfel de scheme de conexiuni:

– tensiunea nominală a generatorului să coincidă cu tensiuni ale rețelelor de distribuție;

– generatoarele să aibă puteri relativ mici (sub 50 MW), puteri care să poată fi distribuite în mod economic printr-o rețea de medie tensiune, rețea care are o capacitate limitată de a distribui energie.

În continuare sunt prezentate câteva tipuri de scheme de conexiuni pentru astfel de centrale.

 Centrale cu o singură stație la tensiunea generatoarelor (figura ÎI.1). Sunt caracteristice centralelor cu generatoare de câțiva MW (de regulă, centrale de platforme industriale). Energia electrică produsă de generatoare ajunge direct la consumatori printr-o stație de medie tensiune, de regulă la 6 kV.

Pentru că grupurile centralei să nu funcționeze insular, trebuie realizată o legătură cu sistemul electroenergetic, prin linii electrice de medie tensiune. Această legătură are rolul de a permite, în anumite momente, că eventualul surplus de energie produs de generatoare să poată fi evacuat la alți consumatori, iar altădată – când generatoarele nu funcționează, de a asigura alimentarea din sistem a consumatorilor racordați la stația de medie tensiune a centeralei.

 Centrale cu o stație la tensiunea generatoarelor și cu o stație de tensiune mai mare, pentru legătură cu sistemul electroenergetic (figura ÎI.2.).

Aceste scheme se folosesc pentru centrale cu grupuri de până la 12-25 MW (rareori 50 MW). De regulă, dacă grupurile nu sunt numeroase și nici de putere mare, este economic să fie toate racordate la stația de medie tensiune. În anumite situații, unele grupuri pot fi racordate prin transformator și la stația de înalta tensiune, dacă prin racordarea tuturor generatoarelor la stația de medie tensiune această ar trebui să evacueze prea multă putere.

Fig.II.1. Schemă de principiu pentru centrale cu generatoare de mică putere și o stație de evacuare a energiei la tensiunea generatoarelor

Fig.II.2. Schemă de principiu pentru o centrală cu generatoare de putere relativ mică, cu o stație de evacuare la tensiunea generatoarelor și o stație de înalta tensiune pentru legătură cu sistemul electroenergetic

Legătură cu sistemul energetic, necesară pentru că centrală să nu funcționeze insular, este asigurată de transformatoare și o stație de înalta tensiune așa cum se vede din figura 7.2. Spre deosebire de cazul anterior, această legătură este mai puternică și mai sigură. Rolurile ei sunt aceleași că și în cazul precedent.

 Centrale cu mai mult de două stații se întâlnesc rar și sunt rezultatul unei dezvoltări în etape a schemelor de conexiuni, odată cu dezvoltarea centralei. Pot apărea, de exemplu, două stații la tensiunea generatoarelor din cauza instalării etapizate a unor generatoare cu puteri și tensiuni nominale diferite, alături de stații de înalta tensiune necesare realizării legăturii cu sistemul[2].

Schemele de conexiuni ale stațiilor de medie tensiune sunt, de regulă, scheme cu unul sau două sisteme de bare colectoare, de cele mai multe ori secționate longitudinal. Una dintre problemele importante care apar la această categorie de scheme de conexiuni o reprezintă mărimea curenților de scurtcircuit. În multe cazuri, plafonul la scurtcircuit al acestor stații de medie tensiune este mare din cauza generatoarelor și, că urmare, schemă de conexiuni a stației trebuie să includă măsuri de limitare a curenților de scurtcircuit.

Deoarece generatoarele trebuie să funcționeze în paralel, în aceste scheme limitarea curenților de scurtcircuit se face, de regulă, asociind sectionarea cu folosirea bobinelor limitatoare. În figura ÎI.3 este prezentat un exemplu de schemă în care se folosesc bobine pentru limitarea curenților de scurtcircuit cuplate între secții de bare colectoare și pe liniile spre consumatori.

Fig.II.3.Schemă de principiu pentru o centrală cu generatoare de putere relativ mică și cu măsuri de limitare a curenților de scurtcircuit folosind sectionarea și bobine limitatoare

SCHEME PENTRU CENTRALE CU STAȚII ELECTRICE DE EVACUARE A ENERGIEI ELECTRICE CU TENSIUNI MAI MARI DECÂT TENSIUNEA GENERATORULUI

Majoritatea centralelor din această categorie o reprezintă cele cu generatoare de putere mare, de ordinul sutelor de megawați.

În cazul acestor generatoare este economic că energia să fie evacuată direct la tensiuni mari (110-400 kV), unde rețelele au capacității corespunzătoare de vehiculare a energiei. Întrucât tensiunile nominale ale genaratoarelor nu depășesc 30 kV este necesară utilizarea de transformatoare ridicătoare și întrucât o stație electrică la bornele generatoarelor ar ridică probleme deosebite, soluția practicată este legarea în serie a fiecărui generator cu câte un transformator, realizându-se astfel o schemă bloc . Ansamblul generator-transformator este denumit în limbajul curent bloc generator-transformator sau câteodată pur și simplu bloc. Mai trebuie spus că în cele mai multe cazuri, blocul generator- transformator este partea finală a unui bloc mai amplu, format din cazan-turbină-generator-transformator[27].

Caracteristicile schemei bloc sunt interdependență dintre componentele blocului, care nu pot funcționa decât împreună, și volumul redus al aparatelor de comutatie între elementele blocului. În foarte multe cazuri blocul generator-transformator nu are nici un fel de aparat de comutatie între generator și transformator.

În figura ÎI.4. sunt prezentate câteva tipuri de scheme bloc generator-transformator. Astfel schemă clasică, cu cea mai mare răspândire, este cea din figura ÎI.4,a, fără nici un aparat de comutatie între generator și transformator, cu întreruptor numai în stația de înalta sau foarte înalta tensiune.

În schemele din figura ÎI.4,b blocul este prevăzut între generator și transformator cu un aparat de comutatie: întreruptor (IG) sau separator de sarcina (SS) numit câteodată cuplor. Rolul acestui aparat de comutatie este de a simplifică schemă de alimentare a serviciilor proprii. Soluția nu este totuși răspândită pentru că aparatul este foarte scump și constituie un punct slab pe legătură generator-transformator. Schemele din figurile ÎI.4,c și ÎI.4,d folosesc pentru transformatorul de bloc un transformator cu trei înfășurări sau un autotransformator cu tertiarul accesibil. În aceste scheme, prezența întreruptorului IG de la bornele generatorului este obligatorie pentru a permite funcționarea (auto)transformatorului și cu generatorul oprit. Avantajul acestor scheme constă în faptul că permit cuplarea generatorului la două stații folosind un singur (auto)transformator care va îndeplini și rolul de legătură între cele două stații[27].

În schemă din figura ÎI.4,e blocul este format din două generatoare și un singur transformator. Și în acest caz întreruptorul de la bornele generatorului este obligatoriu. Acest tip de schemă permite reducerea numărului de transformatoare ridicătoare ale centralei și a numărului de celule din stația de înalta sau foarte înalta tensiune a centralei. Are însă dezavantajul că două generatoare depind de un transformator; orice defect în transformator va scoate din funcțiune ambele generatoare.

Fig.II.4. Diverse tipuri de scheme bloc generator – transformator pentru generatoare de mare putere

Schemele de principiu ale centralelor cu grupuri mari conțin de regulă, una până la trei stații de evacuare a energiei, stații la care se racordează blocurile generator-transformator. În cazul existenței a mai multor stații de evacuare este necesară folosirea de transformatoare sau autotransformatoare de legătură[6].

Tensiunile nominale ale stațiilor de evacuare depind de puterea nominală a generatoarelor. De exemplu, grupurile de 330 MW trebuie racordate la stații de la 220 kV inclusiv în sus, în timp ce grupurile de 50-100 MW este economic a fi racordate la stații de 110 kV.

În figura II.5 este prezentat un exemplu de centrală cu două stații de evacuare, legate între ele prin autotransformator. Cele două tensiuni înalte pot fi, de exemplu, 110 kV cu 220 kV sau 220 kV cu 400 kV. Repartiția grupurilor pe cele două stații este o problema de optimizare a circulației energiei produse de centrală.

Există, mai rar, și centrale care au trei stații de evacuare a energiei. Această situație este, în cele mai multe cazuri, rezultatul unei dezvoltări etapizate de-a lungul timpului.

Fig.II.5. Schemă de principiu pentru o centrală cu blocuri generator transformator și două stații de evacuare a energiei electrice legate prin autotransformator

În figura II.6 este prezentat un exemplu de schemă la care autotransformatoarele de legătură dintre stații sunt folosite și ca transformatoare de bloc.

Fig.II.6. Schemă de principiu pentru o centrală cu două stații de evacuare a energiei electrice care are și două blocuri generator – autotransformator

Se face economie de transformatoare de bloc dar există unele dezavantaje care fac că aceste scheme să fie foarte rar folosite. În plus, puterea nominală a autotransformatorului trebuie să fie cel puțin de două ori mai mare decât puterea generatorului deoarece înfășurarea terțiară, pe care este cuplat generatorul, are întotdeauna o putere nominală mai mică decât cea a autotransformatorului .

În ceea ce privește schemele de conexiuni ale stațiilor de evacuare trebuie avut în vedere că acestea sunt stații de tensiuni mari, cu un rol foarte important în sistem. Că urmare, aceste stații au scheme de conexiuni cu un grad mare de siguranță. Astfel, se folosesc sheme cu două sisteme de bare colectoare și bară de ocolire, scheme cu două sisteme de bare colectoare și 2 întreruptoare pe circuit, scheme cu două sisteme de bare colectoare și 1,5 întreruptoare pe circuit, scheme poligonale etc[14].

În finalul acestui paragraf trebuie amintite schemele de principiu ale unor centrale cu generatoare de putere mică care folosesc însă scheme bloc pentru racordarea generatoarelor la stații care sunt nu de înalta, ci de medie tensiune. Este cazul centralelor amplasate într-o zona unde rețeaua de medie tensiune disponibilă are altă tensiune decât tensiunea generatoarelor (de exemplu Uretea = 20 kV și UnG = 6,3 kV) sau al centralelor cu generatoare de mică putere care pot avea la borne o treaptă de joasă tensiune.

În figura II.7 este prezentată schemă de principiu a unei centrale cu grupuri antrenate de motoare Diesel cu puteri de ordinul a câțiva megawați.

Fig.II.7. Schemă de principiu pentru o centrală cu generatoare de mică putere

antrenate de motoare Diesel

PARTICULARITĂȚi ALE CENTRALELOR HIDROELECTRICE

Schemele electrice de conexiuni ale centralelor hidroelectrice pot fi în unele privințe diferite de cele prezentate mai sus și care corespund, în general, centralelor termoelectrice sau nuclearo-electrice. Astfel, în foarte multe cazuri se folosesc scheme bloc generator – transformator chiar dacă generatoarele au puteri relativ mici, pentru că centrală este izolată, nu are în apropiere consumatori la medie tensiune și o stație de distribuție la tensiunea generatoarelor nu și-ar găsi utilitatea. Adeseori este nevoie chiar de blocuri generator – transformator – linie, atunci când stația de evacuare la care se poate racorda blocul nu poate fi amplasată în apropierea centralei.

În figura ÎI.8 sunt prezentate două exemple de scheme de principiu pentru centrale hidroelectrice amplasate în zone izolate și dispunând de terent puțin pentru transformatoare și stații.

În prima varianta de schemă se folosește un singur transformator pentru două generatoare, în scopul reducerii numărului de transformatoare de bloc, cel mai probabil din lipsa de spațiu.

Aceeași idee de schemă se mai poate folosi și atunci când generatoarele au puteri mici și nu se realizează o stație la tensiunea generatoarelor ci se folosește schemă bloc generator-transformator. În acest fel se evita instalarea a prea multe transformatoare mici. În cea de-a două varianta de schemă se racordează două blocuri generator transformator la o singură linie, stația de evacuare neputând fi amplasată în apropierea centralei[22].

Fig.II.8 Scheme de principiu pentru CHE care dispun de spațiu redus pentru transformatoare sau pentru stațiile de evacuare

O schemă aparte o au centralele cu acumulare prin pompaj, concepute ca sisteme de stocare a energiei. La aceste centrale, transformatorul de bloc are o dublă funcție: să asigure evacuarea energiei produsă de ansamblul turbină-generator în regim de generare și să asigure alimentarea aceluiași ansamblu în regim de pompare, când generatorul devine motor, iar turbina – pompă. Un exemplu este prezentat în figura II.9.

Fig.II.9. Schemă de principiu pentru un bloc dintr-o centrală hidroelectrică cu acumulare prin pompaj

II.2. STAȚII ELECTRICE

CONDIȚII DE CALITATE ALE ALIMENTĂRII

Este necesară o analiză comparativă a performanțelor schemelor electrice de conexiuni privind alimentarea cu energie electrică, în condiții de calitate și eficientă economică, cu respectarea strictă a cerințelor privitoare la protecția vieții oamenilor și a mediului ambiant.

În general, calitatea alimentării cu energie electrică se poate consideră că fiind în mod direct determinată de următorii factori:

• siguranță în funcționare a instalației, care se definește prin aptitudinea instalației de a-și îndeplini funcțiile pentru care a fost creată, de-a lungul unei perioade de referință date;

• calitatea produsului furnizat consumatorilor, respectiv, calitatea energiei electrice tranzitate prin instalația respectivă, care se poate defini prin aptitudinea energiei electrice de a satisface necesitățile consumatorilor (conformitatea produsului cu normele de calitate);

• compatibilitatea instalației cu mediul înconjurător, prin care se înțelege aptitudinea instalației de a funcționa în mediul sau ambiant într-un mod satisfăcător și fără a produce perturbatii intolerabile pentru tot ceea ce se află în acest mediu.

Îmbunătățirea nivelului calitativ al serviciului de alimentare cu energie electrică este un proces complex, care necesită în general cheltuieli suplimentare, verificarea eficienței economice a măsurilor adoptate pentru creșterea calității presupunând analiză corelațiilor între variația costurilor calității (investiții, cheltuieli de exploatare, daune) și variația indicatorilor de măsurare a calității. Comparând, printr-un criteriu oarecare, costurile variantelor cu veniturile care se pot obține prin adoptarea unor măsuri tehnice de îmbunătățire a calității alimentării cu energie electrică, se poate alege nivelul de calitate eficient din punct de vedere economic[24].

SCHEME CU UN SISTEM DE BARE COLECTOARE ȘI UN

ÎNTRERUPTOR PE CIRCUIT

Pentru exemplificarea avantajelor/dezavantajelor unor astfel de scheme electrice, precum și pentru delimitarea unor preferințe în ceea ce privește domeniul lor de utilizare, în cele ce urmează se consideră cazul unei stații de transformare cu Un ³ 110kV, la care sunt racordate două circuite de linie și două circuite de (auto)transformator.

VARIANTA DE BAZA

În varianta de baza (figura ÎI.10.), schemă cu un sistem de bare colectoare (1BC) presupune existența unui singur nod de conexiuni, la care sunt racordate circuite cu soluții de echipare simple.

În continuare, schemă din figura 5.1 va fi considerată că varianta de referință, pentru analiză comparativă a diferitelor tipuri de scheme de conexiuni utilizate în stații electrice.

Fig. II.10. Exemplu de schemă electrică de conexiuni cu un sistem de bare colectoare

Principalele avantaje ale schemelor cu 1BC sunt configurația lor mai simplă și numărul de aparate mai redus în raport cu alte tipuri de scheme electrice de conexiuni. Că urmare, la aceste scheme sunt necesare eforturi mai mici de investiție și totodată (prin reducerea numărului surselor potențiale de defecte/greșeli de manevrare), numărul întreruperilor în alimentare este potențial mai mic. Deoarece conțin echipament puțin, astfel de scheme necesită suprafețe de teren mai mici pentru dispunere, fiind indicate și în cazul stațiilor amplasate în construcții (de interior)[23].

Principalul dezavantaj al schemelor cu 1BC constă în faptul că defectele (sau reviziile) la sistemul de bare/separatoarele de bare sau refuzul de acționare al unui întreruptor conduce la scoaterea întregii stații din funcțiune. În cazul unor întreruperi în zona barelor colectoare, daunele că urmare a nelivrării energiei electrice vor fi cu atât mai mici, cu cât vor fi conectate mai puține circuite la sistemul de bare colectoare.

În cazul reviziilor/reparațiilor la o celulă, întreruperea în alimentare va afecta numai circuitul aferent celulei respective. Daunele că urmare a nelivrării energiei electrice pot fi reduse dacă circuitul respectiv este rezervat (până la zero, în cazul unei rezerve de 100%).

Scheme cu 1BC și un întreruptor pe circuit sunt folosite pentru toate treptele de tensiune din rețelele de distribuție, atunci când aparatajul electric este fiabil, presupune mentenanță redusă și/sau consumatorii admit întreruperi în alimentare ori pot fi preluați de altă sursă de rezervă.

SECȚIONARE LONGITUDINALĂ A SISTEMULUI DE BARE

Creșterea siguranței în funcționare a schemelor cu un sistem de bare colectoare și un întreruptor pe circuit se poate face prin secționare longitudinală a sistemului de bare.

Probabilitatea că un defect la sistemul de bare/separatoarele de bare sau refuzul de acționare al unui întreruptor să afecteze mai multe secții de bare este relativ redusă. Prin secționare se reduce deci numărul de circuite întrerupte că urmare a unor defecte/revizii în zona barelor și a separatoarelor de bare, dacă se ține seama de unele aspecte:

• se pot crea atâtea secții de bare câte surse de alimentare există pentru stația respectivă;

• consumatorii vor fi cât mai uniform repartizați pe secții, iar cei cu dublă alimentare vor fi racordați la secții diferite;

• între secții se prevăd circuite suplimentare (cuple longitudinale), care permit alimentarea a două secții de la aceeași sursă, în cazul defectării/revizuirii uneia dintre surse.

În figura 5.2 este prezentat un exemplu de schemă de conexiune pentru o stație de 110kV/MT, cu două secții de bare. Fiecare secție de bare este alimentată din SEN prin câte o linie electrică, iar numărul plecărilor din stație este egal repartizat pe cele două secții. În cazul unor întreruperi (planificate sau nu) în zona barelor și a separatoarelor de bare, daunele de nelivrare a energiei electrice vor fi mai mici, fiind afectați doar jumătate dintre consumatorii alimentați de la sistemul de bare colectoare[15].

Această modificare a variantei de baza presupune un efort suplimentar de investiții, pentru echiparea cuplei longitudinale între secțiile de bare. Deoarece în costul unei celule, ponderea principala revine întreruptorului, pentru reducerea cheltuielilor cu echiparea stației se caută soluții de micșorare a numărului de întreruptoare. În acest scop se pot utiliza mai multe tipuri de cuple longitudinale (figura II.11).

Fig. II.11. Exemplu de schemă electrică de conexiuni cu două secții de bare colectoare

Cupla longitudinală cu un separator (figura II.12.,a) presupune o investiție minimă, dar oferă o elasticitate în exploatare foarte redusă, deoarece cuplarea/decuplarea celor două secții de bare se poate face numai în absența sarcinii (după deconectarea surselor de alimentare). De asemenea, în cazul unor manevre greșite cu separatorul cuplei sau în cazul revizuirii acestuia, trebuie scoase din funcțiune ambele secții de bare. Acest ultim dezavantaj poate fi parțial remediat prin prevederea unui al doilea separator de cuplă (figura II.12.,b). Cele două separatoare se pot izola reciproc, ceea ce permite menținerea în funcțiune a uneia dintre cele două secții de bare, atunci când se lucrează la cealaltă secție.

Fig. II.12.. Variante de echipare a circuitelor de cuplă longitudinală

Elasticitate și siguranță maximă în exploatare sunt oferite de cupla longitudinală cu două separatoare și un întreruptor (figura II.12.,c). Conectarea/deconectarea longitudinală a secțiilor se face în acest caz numai cu ajutorul întreruptorului (capabil să stingă arcul electric). Lucrările de revizie/reparație la întreruptorul cuplei se pot face cu menținerea ambelor secții de bare sub tensiune.

În regim normal de funcționare, circuitul cuplei longitudinale este menținut în rezervă caldă (separatoarele cuplei sunt închise, întreruptorul fiind declanșat). Menținerea cuplei în această stare prezintă unele avantaje pentru siguranța în funcționare a stației:

se evită ca în cazul unui scurtcircuit pe una din secții să declanșeze două întreruptoare (al sursei de alimentare și al cuplei longitudinale), situație care ar conduce la expunerea celeilalte secții, în cazul nefuncționării întreruptorului cuplei;

se scurtează durata manevrelor de conectare;

se reduce riscul unor manevre greșite cu separatoarele.

Pentru creșterea continuității în exploatare, cuplele longitudinale echipate cu întreruptor se prevăd cu sisteme de anclanșare automată a rezervei (AAR). Mai nou, se folosește denumirea „transfer automat”[7].

SCHEME CU UN SISTEM DE BARE COLECTOARE ȘI CU OCOLIRE

Ca urmare a solicitărilor la care sunt supuse în exploatare, întreruptoarele sunt aparatele din stații care necesită de regulă cele mai frecvente lucrări de întreținere sau de remediere a unor defecte.

Pe durata efectuării acestor lucrări se întrerupe funcționarea circuitelor respective și se pot înregistra daune. Pentru reducerea acestora devine uneori justificată din punct de vedere economic prevederea unui întreruptor suplimentar, intercalat pe o legătură ocolitoare, astfel încât acesta să poată înlocui, pe rând, câte un întreruptor din stație. Prin urmare, prin ocolire se reduce timpul de întrerupere în alimentarea cu energie electrică, pe un circuit la care a apărut un defect. Lucrările planificate în zona unei celule se execută fără întrerupere

în alimentare.

În figura II.13 este prezentat un exemplu de schemă de conexiuni cu un sistem de bare colectoare și bară de ocolire (numită uneori și bară de transfer).

Fig.II.13. Exemplu de schemă de conexiuni cu un sistem de bare colectoare și bară de ocolire

Instalațiile cu ocolire presupun investiții suplimentare din cauza introducerii întreruptorului de ocolire (care împreună cu separatoarele sale formează cupla de ocolire), a sistemului barelor de ocolire și a separatoarelor de ocolire, pentru fiecare circuit care urmează a fi ocolit. De asemenea, comparativ cu varianta de bază , ocolirea presupune un consum suplimentar de teren pentru amplasarea stației. Calculele arată că instalațiile cu bare de ocolire sunt pot rezulta eficiente din punct de vedere economic atunci când:

durata nelivrării de energie, ca urmare a lucrărilor de revizie/reparație în celule este mare (stații cu multe circuite nerezervate între ele, cu echipamente învechite, cu fiabilitate redusă, cu solicitări frecvente ale întreruptoarelor etc.);

sarcina electrică vehiculată pe circuite este mare (ocolirea se prevede în stații cu Un 110kV);

există o mare sensibilitate la întreruperi a zonelor alimentate și circuitele nu sunt rezervate prin alte căi de alimentare.

Manevrele pentru ocolirea unui întreruptor aflat în funcțiune trebuie astfel etapizate încât să nu conducă la întreruperea tranzitului de energie pe circuitul respectiv[19].

SCHEME CU BARE COLECTOARE SECȚIONATE LONGITUDINAL ȘI CU OCOLIRE

Pentru mărirea continuității în alimentarea consumatorilor, schemelor cu simplu sistem de bare colectoare secționat longitudinal li se poate asocia ocolirea.

Pentru o elasticitate ridicată în funcționarea unor astfel de scheme, corespunzător fiecărui nod de bare se pot prevedea cuple individuale: una longitudinală și două de ocolire (figura II.14,a).

Fig. II.14. Variante de echipare a unor cuple cu funcțiuni multiple în cazul unor stații cu

un sistem de bare colectoare și bare de ocolire

În condițiile unei elasticități mai reduse, efortul de investiții poate fi sensibil micșorat prin folosirea unor cuple cu funcțiuni multiple.

Printr-o selectare convenabilă a separatoarelor de bare, cu ajutorul unei astfel de cuple pot fi realizate pe rând, două (figura ÎI.14,b) sau toate cele trei cuple (figura II.14,c).

Dezavantajul principal al folosirii unor cuple cu funcțiuni multiple este acela că în caz de revizie sau defectare a întreruptorului de cupla se pierd toate posibilitățile de cuplare a diverselor noduri între ele. În plus, în cazul unui refuz al singurului întreruptor de cupla este deconectată toată stația (întrerupere totală), iar comutatia prin separatoare este o potențială sursă de incidente pe barele colectoare, cu consecințe foarte grave.

SCHEMĂ CU DOUĂ SISTEME DE BARE COLECTOARE ȘI UN ÎNTRERUPTOR PE CIRCUIT

În cazul sectionarii longitudinale, secțiile aparținând aceluiași sistem de bare sunt dispuse una în prelungirea alteia. Fiecare circuit din stație poate fi racordat doar la una dintre secțiile de bare și își pierde alimentarea, în caz de indisponibilitate a secției respective. Din această cauza, sectionarea longitudinală este considerată o secționare rigidă.

Spre deosebire de această, un mod de secționare elastic poate fi considerat acela care permite cuplarea circuitelor, pe rând, la oricare dintre secțiile de bare. Această se poate realiza prin sectionarea transversală a sistemului de bare din varianta de referință.

Sectionarea transversală presupune creșterea numărului de separatoare de bare, care pe lângă funcția de izolare a circuitului față de sistemul de bare, capătă și funcția suplimentară de selectare a sistemului de bare pe care urmează să funcționeze acesta.

Prin secționare transversală rezultă scheme cu mai multe sisteme de bare colectoare.

VARIANTA DE BAZA

În varianta de baza, schemele cu două sisteme de bare colectoare (2BC) presupun existența a două noduri de conexiuni dispuse alăturat, fiecare circuit fiind prevăzut cu câte două separatoare de bare, care sunt folosite atât pentru selectarea sistemului de bare la care urmează a fi racordat circuitul respectiv, cât și pentru separarea celulei la care se lucrează față de barele colectoare.

În figura ÎI.15 este prezentată o schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare pentru stația de transformare 110 kV/MT, folosită că exemplu în cazurile anterioare.

Fiecare circuit se poate comută la fiecare dintre sistemele de bare colectoare, această manevră efectuându-se în regim normal de funcționare fără întreruperea funcționarii[9].

Fiecare bară colectoare poate fi izolată în scopul executării lucrărilor de întreținere, fără întreruperea vreunui circuit. Un incident pe un sistem de bare întrerupe doar circuitele racordate în nodul respectiv, timpul de nelivrare a energiei fiind cel necesar efectuării manevrelor de trecere a circuitelor pe celălalt sistem de bare colectoare (deci mult mai mic decât timpul de nelivrare în cazul variantei de referință, necesar pentru reparații).

Fig.II.15. Exemplu de schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare

Cuplarea celor două noduri de conexiuni prin închiderea ambelor separatoare de bare ale aceluiași circuit presupune riscul unor avarii grave (însoțite de arc electric) și deci o astfel de manevră este strict interzisă. Cuplarea sistemelor de bare poate fi făcută numai prin intermediul întreruptorului cuplei transversale, denumit astfel deoarece în teren se adopta o dispunere paralelă a celor două sisteme de bare colectoare.

Cupla transversală este un circuit specific tuturor schemelor cu un singur întreruptor pe circuit și două (sau mai multe) sisteme de bare.

Funcțiile cuplei transversale sunt :

 punerea sub tensiune a unui sistem de bare colectoare cu scopul de a verifică starea izolației acestuia; între două sisteme de bare legate prin cupla transversală, circuitele pot fi redistribuite fără a fi necesare întreruperi în funcționarea acestora;

 legarea în paralel a două sisteme de bare colectoare, ambele aflate sub tensiune;

 ocolirea întreruptorului unui circuit, cu două scurte întreruperi în funcționarea circuitului respectiv.

Că urmare a prezenței celui de al doilea sistem de bare, respectiv, a suplimentării numărului de separatoare pe fiecare circuit, precum și a introducerii circuitului de cupla transversală, cresc cheltuielile de investiții pentru echiparea stației, precum și cheltuielile de întreținere (comparativ cu varianta de referință, prezentată în figura 5.1). Este redus însă considerabil timpul de întrerupere în alimentare și numărul circuitelor afectate de revizia/reparația unui sistem de bare (deci puterea nelivrata).

SCHEMĂ CU DOUĂ BARE COLECTOARE ȘI CU SECȚIONARE LONGITUDINALĂ

Pentru mărirea continuității în alimentarea consumatorilor, schemelor cu bare colectoare duble (secționare transversală) li se asociază sectionarea longitudinală a unuia sau a ambelor sisteme de bare.

În stațiile cu două sisteme de bare, se justifică mai frecvent sectionarea longitudinală a unuia singur dintre cele două noduri de conexiuni. Pentru o elasticitate ridicată în funcționarea unor astfel de scheme, corespunzător fiecărei noi secții de bare se pot prevedea cuple individuale: una longitudinală și două transversale (figura II.16,a).

Fig. II.16. Variante de echipare a unor cuple cu funcțiuni multiple în cazul unor stații cu

două sisteme de bare colectoare și secționare longitudinală

În condițiile unei elasticități mai reduse, efortul de investiții poate fi sensibil micșorat prin folosirea unei cuple longo-transversale (figura II.16,b). Cu ajutorul unei astfel de cuple cu funcții multiple pot fi realizate pe rând o cupla longitudinală și două cuple transversale.

Două variante de cuple cu funcții multiple care pot fi folosite în cazul sectionarii longitudinale a ambelor sisteme de bare sunt prezentate în figura II.16,c și II.16,d. În varianta din figura ÎI.16,c pot fi realizate pe rând două cuple longitudinale, respectiv, două cuple transversale. În varianta din figura ÎI.16,d, în locul celor două cuple longitudinale pot fi realizate două cuple în cruce (în diagonală)[23].

Modalitatea și gradul de secționare dintr-o stație de conexiuni se stabilesc în funcție de condițiile concrete de funcționare. Principalele avantaje urmărite prin această sunt creșterea continuității în alimentare și micșorarea curenților în caz de scurtcircuit. Pentru mărirea continuității în alimentare, pe lângă secționare mai trebuie asigurată și o repartiție judicioasă a circuitelor între noduri. Pentru reducerea curenților de scurtcircuit, stația funcționează cu cuplele longitudinale sau transversale „normal deschise”.

SCHEMĂ CU DOUĂ BARE COLECTOARE ȘI CU OCOLIRE

Similar celor prezentate , pentru reducerea daunelor de nelivrare a energiei că urmare a efectuării unor lucrări la celule, devine uneori justificată din punct de vedere economic prevederea unei legături ocolitoare, astfel încât acesta să poată înlocui, pe rând, câte un întreruptor din stație, fără întrerupere în alimentare.

În figura II.17 este prezentat un exemplu de schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare și bară de ocolire (numită uneori și bară de transfer).

Fig. II.17. Exemplu de schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare

și sistem de bare de ocolire

Așa cum s-a arătat deja în paragraful precedent, instalațiile cu ocolire presupun investiții suplimentare din cauza introducerii cuplei de ocolire, a sistemului barelor de ocolire, precum și a separatoarelor de ocolire, pentru fiecare circuit care urmează a fi ocolit. De asemenea, comparativ cu varianta de bază , ocolirea presupune un consum suplimentar de teren pentru amplasarea stației.

În unele cazuri se utilizează scheme simplificate, folosindu-se cuple cu funcțiuni multiple, la care se renunță fie la cupla transversală (figura II.18,a), fie la sistemul de bare și cupla de ocolire (figura II.18,b și c), ceea ce conduce la reducerea costurilor de realizare a stației și a suprafeței de teren necesare pentru dispoziția constructivă[16].

Ca și în celelalte cazuri, folosirea unor cuple cu funcțiuni multiple prezintă dezavantajul că în caz de revizie sau defectare a întreruptorului de cuplă se pierd toate posibilitățile de cuplare a diverselor noduri între ele. În plus, în cazul unui refuz al singurului întreruptor de cuplă este deconectată toată stația (întrerupere totală), iar comutația prin separatoare este o potențială sursă de incidente pe barele colectoare, cu consecințe foarte grave.

Fig. II.18. Scheme simplificate cu două sisteme de bare colectoare și ocolire

În variantele de schemă prezentate în figurile 5.9,b și c ocolirea se face prin cupla transversală înseriată cu unul dintre cele două sisteme de bare colectoare, care în prealabil trebuie degajat de alte circuite. Prin urmare, pe durata fiecărei perioade de ocolire, în stațiile cu astfel de scheme se dispune de un singur sistem de bare colectoare.

SCHEMA CU 2BC LA CARE REVIN ÎNTRE UNUL ȘI DOUĂ ÎNTRERUPTOARE PE CIRCUIT

Mai des întâlnite în practică sunt schemele de conexiuni cu 1,5 sau 2 întreruptoare pe circuit. Astfel de scheme prezintă flexibilitate foarte mare în timpul exploatării și disponibilitate mărită, deoarece:

în regim normal de funcționare, ambele sisteme de bare colectoare sunt menținute sub tensiune; toate comutațiile se fac prin întreruptoare, ceea ce reduce riscul unor avarii grave (însoțite de arc electric liber);

fiecare bară colectoare poate fi izolată în scopul executării lucrărilor de întreținere, fără întreruperea vreunui circuit; un incident pe un sistem de bare nu afectează nici un circuit, deci nu conduce la întreruperi în alimentare;

lucrările de revizie/reparații la celule se pot efectua fără întreruperea funcționării circuitului respectiv, deci fără daune de nelivrare.

Datorită avantajelor mai sus menționate, este redus considerabil timpul de întrerupere în alimentare și puterea nelivrată, nemaifiind necesare circuite suplimentare de cuplă transversală și de ocolire. Principalul dezavantaj al unor astfel de scheme constă în creșterea investițiilor pentru echiparea stațiilor, atât din cauza numărului sporit de întreruptoare pe circuit, cât și ca urmare a costurilor mai ridicate pentru asigurarea protecțiilor.

În figura II.19 este prezentată o schemă de conexiuni cu două sisteme de bare colectoare și două întreruptoare pe circuit. Fiecare circuit este în permanență cuplat prin celulă cu întreruptor la ambele sisteme de bare colectoare, deci prezintă avantajele unei duble alimentări. Ca urmare a dublării numărului de întreruptoare pe fiecare circuit, cresc însă sensibil cheltuielile de investiții pentru echiparea stației, precum și cheltuielile de întreținere (comparativ cu varianta de referință, ).

Acest tip de schemă prezintă interes în cazul circuitelor pentru care trebuie asigurată o foarte mare siguranță în funcționare. Astfel, punerea în funcțiune la CET Ișalnița, a primului grup franțuzesc de 315 MW, care reprezenta cel mai mare grup din țară la acea dată (31 decembrie 1967), s-a făcut prin celulă cu două întreruptoare. Pe de altă parte, anumite firme constructoare realizează scheme cu bare colectoare duble în sistem „duplex” și la medie tensiune, prin montarea pe fiecare circuit a câte două celule prefabricate cu bare colectoare simple și întreruptor.

O cale de reducere a investițiilor, aplicată în cazul stațiilor de foarte înaltă tensiune, o constituie utilizarea a câte trei întreruptoare pentru două circuite (figura II.19). Rămâne însă ca dezavantaj costul ridicat al realizării protecțiilor și al reanclanșării automate rapide, căci întreruptorul median trebuie să funcționeze independent în fiecare din direcțiile celor două plecări.

Calculele tehnico-economice arată că astfel de scheme pot rezulta eficiente din punct de vedere economic mai ales atunci când:

durata nelivrării de energie, ca urmare a lucrărilor de revizie/reparație în stații este mare;

sarcina electrică vehiculată pe circuite este mare (de regulă, în stații cu Un 220 kV);

există o mare sensibilitate la întreruperi a zonelor alimentate și circuitele nu sunt rezervate prin alte căi de alimentare.

Un exemplu de utilizare în România a schemei electrice cu 1,5 întreruptoare pe circuit este cel al stației de 400 kV, realizată pentru evacuarea puterii produse și interconectarea cu SEN a CNE Cernavodă.

SCHEME BLOC ȘI VARIANTE DE MĂRIRE A FLEXIBILITĂȚII ACESTORA

O schemă bloc constituie un ansamblu funcțional care este disponibil numai dacă toate elementele sale componente sunt disponibile. Volumul foarte redus de aparataj electric necesar pentru echipare, precum și lipsa unor legături intermediare cu alte blocuri conduce la unele avantaje, ca de exemplu:

investiții minime;

surse potențiale de defect mai puține;

spațiu foarte restrâns pentru amplasarea în teren;

simplificare a exploatării;

limitare a curenților de scurtcircuit, datorită unui grad de funcționare în paralel mai redus.

Principalul dezavantaj constă în aceea că, din punct de vedere fiabilistic, blocul constituie o structură de tip „serie”: la defectarea unui element al din structura sa, tot ansamblul iese din funcțiune.

Scheme bloc sunt folosite atunci când fiabilitatea elementelor componente este ridicată (necesită mentenanță redusă) și/sau sarcina admite întreruperi în alimentare ori poate fi preluată de altă sursă.

Creșterea flexibilității schemelor bloc se poate realiza prin mărirea volumului de aparataj utilizat pentru echiparea schemei, ceea ce permite modularea unor subansambluri funcționale, astfel încât la defectarea unui element să nu se piardă tot ansamblul.

SCHEME PENTRU CENTRALE

În cazul centralelor electrice se utilizează scheme bloc formate din generator electric, transformator (ridicător) pentru evacuarea puterii și transformator (coborâtor) pentru alimentarea serviciilor proprii (figura II.21,a). Uneori, blocul include și o linie electrică de evacuare a puterii în sistem (figura II.21,b).

Fig. II.21. Scheme electrice bloc utilizate în centrale electrice

a – schema bloc G+TB+Tsp ; b – schema bloc G+TB+Tsp+LE

Creșterea flexibilității operaționale, a numărului de combinații posibile și a siguranței în funcționare se poate realiza prin introducerea în schemă a unui întreruptor de generator (fig. 5.14).

În centrale echipate cu grupuri de putere unitară redusă, se pot realiza scheme electrice cu două generatoare, bloc cu un singur transformator ridicător (figura II.22,a), iar în cazul centralelor electrice echipate cu grupuri de mare putere se pot adopta variante de echipare cu un grup bloc cu două transformatoare ridicătoare (figura II.22,b).

Această din urmă variantă de echipare mărește disponibilitatea centralei, permițând ca în caz de indisponibilitate a unuia dintre transformatoare, generatorul să poată fi menținut în funcțiune la sarcină parțială[5].

În plus, astfel se rezolvă mai ușor problema transportului unităților de (auto)transformare de foarte mare putere, din fabrică și până la locul de montare.

Fig. II.22. Scheme electrice bloc cu flexibilitate mărită utilizate în centrale electrice

a – cu grupuri de putere unitară mică; b – cu grupuri de putere unitară mare

Actualmente, mai mult de 60% din totalul centralelor electrice din întreaga lume sunt echipate cu întreruptor de generator , deoarece prin aceasta:

se elimină necesitatea prevederii unui transformator suplimentar de ÎT/MT pentru alimentarea serviciilor proprii la pornirea/oprirea blocului;

se evită producerea unor tensiuni tranzitorii, ca urmare a transferului automat al surselor de alimentare normală și de rezervă a serviciilor proprii[18].

Funcțiile pe care le preia întreruptorul de generator sunt:

izolarea generatorului față de rețea; această funcție este deosebit de importantă, mai ales în cazul centralelor de vârf, unde manevrele de cuplare/decuplare se fac des și trebuie ca aparatul de comutație să dispună de o bună anduranță electrică și mecanică; peste 80% dintre centralele cu turbine pe gaze, care sunt cele mai frecvent construite în prezent, datorită costului relativ mai scăzut și a disponibilității mai mari (comparativ cu centralele clasice) și care au porniri/opriri dese, sunt prevăzute cu întreruptor de generator;

la centralele cu turbine pe gaze, IG are în plus o funcție în procesul de pornire al centralei; mai înainte de a putea funcționa autonom, generatorul trebuie adus la o anumită viteză de rotație, cu ajutorul unui motor de lansare sau utilizând regimul de funcționare al generatorului ca motor; în acest ultim caz, se injectează generatorului un curent de frecvență variabilă, produs de un convertizor static de frecvență, prin intermediul unui cablu de medie tensiune și un separator introduse în carcasa întreruptorului de generator;

sincronizarea generatorului cu sistemul; în caz de cuplare în opoziție de fază, întreruptorul de generator (dispus pe legătura capsulată a generatorului, deci cu risc de conturnare din cauze externe practic nul) dispune de o marjă de siguranță mai mare la solicitări electrice decât întreruptorul de înaltă tensiune;

ruperea curenților de scurtcircuit debitați de generator, în caz de defect la transformatorul de putere sau la cel servicii proprii, într-un timp foarte scurt (sub 80 ms).

Costul unui astfel de întreruptor de generator (introdus pe legătura capsulată dintre generator și transformator) este foarte ridicat, ca urmare a solicitărilor mari din regim normal și de scurtcircuit, la care trebuie să facă față IG . În aceeași legătură capsulată, pot exista diferite opțiuni de echipare: separatoare, cuțit(e) de legare la pământ pe fiecare parte, transformatoare (senzori) de măsurare a curentului și tensiunii etc.

Uneori, pentru reducerea investițiilor, la bornele generatorului electric se utilizează separatoare de sarcină de construcție specială.