65

Basarab GUZUN Stelian Al. GAL George DARIE Dan OLOVINARU

CENTRALE , STAII i REELE ELECTRICE CSRE

E l e m e n t e d e b a z

EDITURA ACADEMIEI ROMNE

2005

66

C U V N T N A I N T E

Lucrarea de Centrale, Staii i Reele Electrice-CSRE trateaz un domeniu deosebit vast aflat la confluena cunotinelor de baz din ingineria de sistem electroenergetic, cu baz electromecanic i supraveghere-control a instalaiilor, prin umbrela dedicat de automatizri de sistem; CSRE prin componentele sale de baz nseriate, particip la vehicularea unor puteri masive de nivel regional, continental chiar; rezult de aici - rigoarea cunotinelor, a selectrii soluiilor tehnice i politici energetice responsabile pentru supravieuirea/calitatea vieii n condiii de prietenie cu mediul ambiant.

Electroenergetica sectorului energetic reprezint un segment strategic al unei comuniti responsabile; este bine conturat de dezvoltarea de ansamblu a sistemului energetic naional SEN; evoluia social i economic a rii noastre fiind direct dependent de acesta, dezvoltarea SEN se afl la baza progresului economiei romneti moderne, ce nu poate funciona astfel n afara unei industrii energetice IE independente, performante. n acest fel, dezvoltarea durabil a societii, este fundamentat de existena unui SEN modern: performant echipat, automatizat, informatizat.

Deoarece industria energetic n ansamblu se dorete a fi stabil n toate cele trei puncte de sprijin: capitalul construit, prin echipamente; consumul energiei din centrale electrice i, capitalul resurse umane competent format ca al treilea punct ! Acesta din urm cade in sarcina colii energetice, i prin lucrri de tipul celei de faa contnd din plin pe susinerea real din partea unor laboratoare continuu modernizate, aplicaii numerice pe probleme de alegere i dimensionare specifice, precum i elaborare de proiecte modernizate n domeniu.

Cei implicai n domeniul ingineriei electroenergetice: tehnicieni specialiti din proiectare, montaj-exploatare a obiectivelor specifice CSRE aparinnd Sistemului Energetic Naional SEN, studeni ai anilor terminali din facultile de profil electroenergetic/electromecanic, vor gsi n lucrarea de fa un sprijin competent. In acelai timp, ea poate fi considerat un ajutor eficient pentru cursanii centrelor de formare a personalului CFP tehnico-ingineresc din orice verig specific lanului CSRE, domeniul electroenergetic.

Experiena autorilor didactic i practic/pragmatic de rezolvare de la proiectare - la teste sau ncercri pe viu n CSRE a unor sarcini de producie, cercetare, respectiv de exploatare i management energetic, certific astfel calitatea lucrrii; S-a realizat astfel un colectiv nchegat de specialiti direct legai prin activitatea lor curent, de specificul capitolelor componente. Astfel,

Dr. ing. Basarab D. Guzun, cu experien semnificativ practic de partea electric i automatizare PEA n centrale (hidro)electrice precum i n transmiterea fundamentelor teoretice de PEA atent selectate mediului studenesc - ca profesor universitar i apoi lector-formator n industria energetic, a realizat atent coordonarea general a lucrrii, scrierea capitolelor 13 i 5 (acoperind peste din lucrare). Logistica machetrii capitolelor a avut n vedere consideraii introductive generale referitoare la evoluia energetic a societii, continund cu fundamente de calcul simplificat al curenilor de scurt circuit pentru o corect alegere de echipamente i legturi electrice conductoare; s-au creat, capitolul 3, premisele detalierii la obiect a specificului electroenergetic al elementelor de baz din partea electric a centralelor i staiilor electrice PECS, adic - alternatoare, transformatoare, motoare; seciunii de centrale electrice i urmeaz firesc elemente de staii i posturi de transformare SPT.

Dr. Ing. Stelian Al. Gal de la CN TransElectrica Sibiu, confereniar la universitatea sibian, acumulnd o ndelungat experien n managementul transportului energiei electrice este autorul capitolului 6 (aproximativ 1/3 din lucrare) tratnd competent ntr-o forma condensat, problematica specific pentru Reele electrice de transport i distribuie; prof.dr.ing. Geo Darie Catedra de Centrale electrice i Energetic industrial, Universitatea Politehnica din Bucureti UPB, este autorul seciunii termoenergetice din capitolul 4 de Centrale electrice: Centrale electrice convenionale cu abur, cu turbine cu gaze, pe cicluri combinate gaze-abur, nuclearo-electrice, cu motoare Diesel (circa 10%); Drd. Ing. Dan Olovinaru manager la HidroElectrica Sibiu este autorul seciunii hidroenergetice din cadrul aceluiai capitol (aproximativ 5%);

Ca referent tiinific i n trecut, autor de manuale n acest domeniu, subliniez utilitatea lucrrii: se acoper un gol actual existent n literatura tehnic-academic de specialitate, iar prin structurarea ngrijit a materialului informativ vast, sunt aduse la zi cunotine n domeniul de vrf al ingineriei de sistem electroenergetic, prezentate elegant i eficient, ntr-o viziune pragmatic-inginereasc; felicit cu aceast ocazie colectivul de autori, precum i iniiativa prestigioasei Editura Academiei Romne care a realizat publicarea, ateptnd firesc reaciile publicului cititor tehnic cu efect de feed-back util unor reeditri viitoare.

Bucureti, mai 2005 Dr.Ing. Eugeniu Potolea,

Profesor la Catedra de Electroenergetic, UPB

67

P R E F A

Domeniul lucrrii de Centrale, Staii i Reele Electrice CSRE aflat la intersecia cunotinelor de baz de inginerie de sistem electroenergetic electromecanic cu supraveghere-control a instalaiilor prin umbrela dedicat de automatizri, nu este doar unul vast referindu-ne la cele mai vaste sisteme (energetice) create de om; aici rigoarea cunotinelor balanseaz cert alte domenii, legat de seriozitatea/riscul generrii i transportului unor puteri masive de nivel regional, continental chiar, a selectrii soluiilor tehnice i politici energetice reponsabile pentru supravieuirea/calitatea vieii unei ri n condiii de respect, protecie i conservare mediu ambiant.

Importanta CSRE, ca sector energetic i strategic pentru orice comunitate responsabil, este bine reliefat i de tabloul romnesc in domeniu, evoluia social i economic a rii fiind direct dependent de acesta; e de neconceput o economie modern n afara unei industrii energetice independente, performante real coloan vertebral de susinere energetic a celorlalte ramuri ale economiei naionale, de dezvoltare durabil a societii.

Industria energetic stabil i eficient este sprijinit de trei piloni tradiionali ce nu-i aparin direct: capitalul construit, prin echipamentele tehnice din dotare; consumul energiei rezultate din conversia n centrale electrice sunt opera unei naiuni ntregi; ns, capitalul resurse umane competent formate ca al treilea pilon cade preponderent in sarcina colii energetice, i prin lucrri de tipul celei de faa - cu susinerea real a unor versatile laboratoare continuu modernizate, promovate cu druire de profesori/specialiti experimentai.

Lucrarea se adreseaz prin natura sa celor implicai n domeniul ingineriei electroenergetice: tehnicienilor specialitilor din proiectare, montaj-exploatare a obiectivelor specifice CSRE aparinnd Sistemului Energetic National SEN, precum i studenilor anilor terminali ai facultailor de profil electroenergetic/electromecanic. In acelai timp, se constituie ca un excelent manual pentru cursanii centrelor de formare a personalului CFP, precum i cadru-suport la testarea periodic a personalului lucrtor tehnic, necesar oricrui program up-grade de cretere i continu perfecionare profesional.

Calitatea lucrrii este rezultatul experienei autorilor didactic i practic/pragmatic de rezolvare n diapazonul larg, de la proiectare i pna la teste/ncercari pe viu n CSRE a unor sarcini de producie, cercetare, respectiv de exploatare i management energetic; n definitiv, aici a primat ideea nchegrii unui colectiv de specialiti direct legai prin activitatea lor curent, de coloratura capitolelor componente ale lucrarii de fa. Astfel,

Conf. Dr. Ing. Stelian Al. Gal de la CN TransElectrica SB este autorul ntregului capitol 6 (aprox. 30% din lucrare) tratnd competent ntr-o forma condensat, problematica specific pentru Reele electrice de transport i distribuie; prof.dr.ing. Geo Darie Catedra de Centrale electrice i energetic industrial, UPB, este autorul seciunii termoenergetice din capitolul 4 de Centrale electrice: Centrale electrice convenionale cu abur, cu turbine cu gaze, pe cicluri combinate gaze-abur, nuclearo-electrice, cu motoare Diesel (circa 10%); Drd. Ing. Dan Olovinaru de la HidroElectrica SB este autorul sectiunii hidroenergetice din cadrul aceluia capitol (aprox. 5%);

Coordonarea general a lucrrii, scrierea capitolelor 1 3 i 5 (acoperind aprox. 55%) este fcut de subsemnatul, dr. ing. Basarab D. Guzun, profesor asociat la aceeai catedr. Machetarea capitolelor a avut n vedere consideraii introductive generale referitoare la evoluia energetic a societii mondiale i romneti, continund cu fundamente de calcul simplificat al curenilor de sc.circuit ce permit o corect alegere de echipamente i legturi electrice conductoare; s-au creat astfel, capitolul 3, premisele detalierii la obiect a specificului electroenergetic al elementelor de baz din partea electric a centralelor i staiilor electrice PECS, adic - alternatoare, transformatoare, motoare; seciunii de centrale electrice i urmeaz firesc elemente de staii i posturi de transformare SPT.

Aplicaiile numerice, evident necesare aprofundrii i fixrii cunotinelor sunt atent selectate n lucrarea adiacent Selischi, A., Dedu,G., Guzun, B. D. - Probleme de alegere i dimensionare specifice PECS - Editura Universitii Politehnica din Bucureti, UPB 1997.

Autorii i exprim i pe aceast cale respectul i gratitudinea fa de fotii i actualii lor profesori din domeniul tratat, cu care au colaborat n timp, influennd ntr-un fel sau altul aceast form final, d-lui prof.dr.ing. Eugeniu Potolea pentru controlul tiinific al lucrrii; mulumesc clduros fotilor studeni i actualilor doctoranzi care, prin aportul lor entuziast au contribuit la definitivarea redactrii n form final, a graficii digitale ngrijite i, evident, celor care au sponsorizat generos apariia lucrrii !

De asemenea, autorii mulumesc prestigioasei Editura Academiei Romne care a realizat publicarea.

In fine, i nu n ultimul rnd, autorii mulumesc anticipat specialitilor implicai n industria conversiei, transportului i distribuiei inteligente electro-energetice a energiei, colegilor din nvaamntul superior energetic /electromecanic, studenilor, tuturor cititorilor in general, pentru eventuale observaii, sugestii cu efect de feed-back util unei reeditri viitoare, n perspectiva progresului tehnic remarcabil din domeniul vast/complex al CSRE.

Din partea colectivului de autori, Dr. Ing. Basarab D. Guzun, profesor-asociat de Partea electric i Automatizri n Centrale (hidro)electrice.Bucureti, martie 2004.

68

C U P R I N S

Capitolul 1. EVOLUIA ENERGETIC A SOCIETII

1.1.RESURSE ENERGETICE. CONSUM. 1

1.2.ACCESIBILITATE 1A RESURSE ENERGETICE PRIMARE 1 1.2.1.Tabloul produciei de resurse energetice poteniale 1 1.2.2.Totalul energiei anuale 2

1.3.PROGNOZE 3 1.3.1.Conservarea energiei 4 1.3.2.Strategii 4

1.4.ELEMENTE DE POLITIC ENERGETIC N VIITOR 4

1.5.STRUCTURA RESURSELOR 5

1.6.SISTEM ENERGETIC 6 1.6.1.Situaia energetic a Romniei 7 1.6.2.Structura puterii electrice instalate 8 1.6.3.Dezvoltarea Sistemului Energetic Naional 8

1.7.CURBE DE SARCIN 11 1.7.1.Generaliti 11 1.7.2.Clasificare 11 1.7.3.Utilitate 11 1.7.4.Definiii 11 1.7.5.Iindici caracteristici pentru centralele electrice 12 1.7.6.Aplatizarea Curbelor de Sarcin 17 1.7.7.Disponibilitatea 17 1.7.8.Fiabilitate 17

Capitolul 2. CALCULUL CURENILOR DE SCURTCIRCUIT

2.1. CONSIDERAII GENERALE 19

2.2. VARIAIA N TIMP A CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT 19 2.2.1.Alimentarea scurtcircuitului de la o surs de tensiune constant 19

2.3. COMPORTAREA MAINII SINCRONE LA SCURTCIRCUIT TRIFAZAT BRUSC, APROPIAT 22

2.4. INFLUENA CONSUMULUI ASUPRA CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT 26

2.5. CONSIDERAREA SISTEMULUI ELECTROENERGETIC N CALCUL 26

69

2.6. METODOLOGIE PRIVIND CALCULUL CURENILOR DE SCURTCIRCUIT 26 2.6.1.Generaliti 26 2.6.2.Curenii de scurtcircuit 27 2.6.3.Metode de calcul 31 2.6.4.Elemente i scheme de calcul 32 2.6.5.Calculul impedanelor echivalente. Reguli 34 2.6.6.Concluzii privind metoda vde de calcul a curenilor de scurtcircuit 37

2.7. APLICAIA 1: ALEGEREA APARATAJULUI PRIMAR 38

2.8. APLICAIA 2: ALEGEREA UNOR LEGTURI CONDUCTOARE 39 2.8.1.Tipuri de conductoare 39 2.8.2.Verificarea stabilitii termice n regim de lung durat 39 2.8.3.Verificarea stabilitii termice n regim de scurt durat 40 2.8.4.Verificarea la cderea de tensiune 40 2.8.5.Verificarea la descrcarea corona se reduce n esen 40 2.8.6.Verificarea la solicitri mecanice 41 Anexa 2.1. Valori uzuale ale impedanelor (reactanelor) elementelor reelelor 42 Anexa 2.2. Scheme i relaii de calcul ale reactanelor (auto)transformatoarelor cu trei nfurri i ale bobinelor de reactan jumelate 43

Capitolul 3. ELEMENTE DE BAZ DIN PARTEA ELECTRIC A CENTRALELOR I STAIILOR ELECTRICE PECS

3.1. ALTERNATOARE N CENTRALE ELECTRICE 44 3.1.1. Generaliti 44 3.1.2. Principalele limitri n proiectarea alternatoarelor de mare putere 44 3.1.3. Perfecionri constructive 48 3. l.4. Evacuarea pierderilor de putere din turbogeneratoare 55 3.1.5. Rcirea turboalternatoarelor destinate Centrale Nuclear Electrice CNE 68 3.1.6. Evacuarea pierderilor de energie din hidroalternatoare 68 3.1.7. Sisteme de excitaie / dezexcitaie 70 3.1.8. Sisteme de dezexcitare rapid 73 3.1.9. Cuplarea cu reeaua 75 3.1.10.Sisteme de protecie prin relee pentru alternatoare 77

3.2. TRANSFORMATOARE I AUTOTRANSFORMATOARE 3.2.1. Generaliti 85 3.2.2. Parametrii i alegerea corect 85 3.2.3. Simbolizare 86 3.2.4. Transformator sau autotransformator? 87 3.2.5. Reglajul tensiunii 88 3.2.6. Evaluarea pierderilor 90

3.3. MOTOARE ELECTRICE N SERVICIILE PROPRII ALE CENTRALELOR 3.3.1. Consideraii generale 91 3.3.2. Sursele de alimentare cu energie electric a serviciilor proprii 92 3.3.3. Alegerea tipurilor de motoare electrice 95 3.3.4. Caracteristicile mecanismelor serviciilor proprii 97

70

3.3.5. Alegerea motoarelor pentru antrenarea mecanismelor 99 3.3.6. Influena variaiilor de tensiune i frecven asupra motoarelor asincrone 102 3.3.7. Autopornirea motoarelor electrice ale serviciilor proprii 103 3.3.8. Clasificarea receptoarelor din serviciile proprii i sursele de alimentare 105 3.3.9. Schemele electrice de alimentare n curent alternativ 106 3.3.10.Alegerea puterii transformatoarelor sau a capacitii de trecere a bobinelor de reactan 112 3.3.11.Nivelul puterii de scurtcircuit pe barele de servicii proprii 114 3.3.12.Reglajul productivitii mecanismelor serviciilor proprii 115

Capitolul 4. ELEMENTE DE TEHNOLOGIA CONVERSIEI ENERGETICE N CENTRALE ELECTRICE

4.1. ENERGII PRIMARE. CATEGORII DE CENTRALE ELECTRICE 117

4.2. CENTRALE CONVENIONALE CU ABUR CCA 4.2.1. Alctuirea circuitului termic 119 4.2.2. Bilanul energetic. Randamente 121 4.2.3. Soluii de cretere ale performanelor 122 4.2.4. Nivelul de performane 127

4.3 INSTALAII DE TURBINE CU GAZE ITG 4.3.l. Prezentarea instalaiei 127 4.3.2. Bilanul energetic. Randamente 129 4.3.3. Posibiliti de cretere a randamentului termic 130 4.3.4. Nivelul de performane 132

4.4 CICLURI COMBINATE GAZE-ABUR 4.4.1. Consideraii termodinamice 133 4.4.2. Ciclul combinat gaze-abur fr postcombustie 134 4.4.3. Ciclul combinat gaze-abur cu postcombustie 138 4.4.4. Ciclul combinat gaze-abur cu arderea crbunelui n pat fluidizat sub presiune 139 4.4.5. Ciclul combinat gaze-abur cu gazeificarea integrat a crbunelui 140 4.4.6. Ciclul combinat gaze-abur cu injecie de abur 141

4.5 CENTRALE NECLEAR ELECTRICE CNE 4.5.1. Structur 142 4.5.2. Elemente caracteristice ale prii clasice 144 4.5.3. Performane 145

4.6 CENTRALE ELECTRICE ECHIPATE CU MOTOARE DIESEL CDE 4.6.1. Caracteristici 146 4.6.2. Bilan energetic 147

4.7. CENTRALE HIDROELECTRICE CHE 4.7.1. Consideraii generale 148 4.7.2. Amenajrile centralelor hidroelectrice 149 4.7.3. Principalele construcii ale amenajrilor hidroenergetice AH 152 4.7.4. Turbine hidraulice 157

71

Capitolul 5. SCHEME ELECTRICE DE CENTRALE I STAII ELECTRICE

5.1 SCHEME ELECTRICE DE COMUTAIE 5.1.1. Definiie. Clasificare 164 5.1.2. Criterii de selectare 164 5.1.3. Aparatajul de comutaie utilizat 165 5.1.4. Bare colectoare simple BCS 166 5.1.5. Bare colectoare duble BCD 170 5.1.6. Bare colectoare triple BCT 183 5.1.7. Scheme fr bare colectoare 184 5.1.8. Scheme cu numr redus de ntreruptoare 189

5.2 SCHEME ELECTRICE DE CONEXIUNI 5.2.1. Consideraii generale 196 5.2.2. Scheme pentru Centrale Termo Eelectrice 196 5.2.3. Scheme pentru Centrale Electrice de Termoficare 202 5.2.4. Scheme ale Centrale Hidro Electrice 208 5.2.5. Limitarea curenilor de scurtcircuit 210 5.2.6. Scheme de staii de distribuie de nalt i medie tensiune 212 5.2.7. Exemple de scheme de centrale din Romnia 215

5.3 DISPOZIII CONSTRUCTIVE DC 5.3.1. Condiii generale 218 5.3.2. DC de staii exterioare 226 5.3.3. DC de staii interioare n mediu izolant aer 234 5.3.4. DC capsulate n alte medii izolante 243

5.4 INSTALAII DE LEGARE LA PAMNT 5.4.1. Generaliti 245 5.4.2. Tensiuni de atingere i de pas 250 5.4.3. Calculul rezistenei de dispersie 255 5.4.4. Determinarea coeficienilor de atingere i pas 263 5.4.5. Seciuni i grosimi minime de electrozi 265 5.4.6. Exemplu numeric 266

Capitolul 6. REELE ELECTRICE

6.1 ELEMENTE COMPONENTE ALE LINIILOR ELECTRICE 6.1.1. Generaliti 274 6. l.2. Linii Electrice Aeriene (LEA) 276 6.1.3. Linii Electrice Subterane (LES) 296

6.2 TRATAREA NEUTRULUI 6.2.1. Generaliti 303 6.2.2. Reele cu neutrul izolat 305 6.2.3. Reele cu neutrul tratat cu bobin de stingere 306 6.2.4. Reele cu neutrul tratat prin rezistor 307 6.2.5. Reele cu neutrul tratat combinat 308 6.2.6. Reele cu neutrul legat direct la pmnt 308

72

6.3 PROTECIA PRIN RELEE N REELE ELECTRICE 6.3.1. Protecia transformatoarelor i autotransformatoarelor 310 6.3.2. Protecia liniilor electrice 316 6.3.3. Protecia barelor colectoare 330 6.3.4. Protecia motoarelor electrice 331 6.3.5. Protecii statice i numerice. Principii 335

6.4. CIRCUITE DE COMAND I CONTROL 6.4.1. Circuite secundare 337 6.4.2. Circuite de comand 345 6.4.3. Circuite de control 349

6.5 PARAMETRII I SCHEME ECHIVALENTE ALE ELEMENTELOR COMPONENTE DIN REELE ELECTRICE 6.5.l. Parametrii liniilor electrice 357 6.5.2. Parametrii transformatoarelor 364

6.6 CALCULUL CIRCULAIEI DE CURENI I A CDERILOR DE TENSIUNE N REELELE ELECTRICE 6.6.1. Calculul electric al liniilor de curent alternativ radiale 370 6.6.2. Calculul circulaiei de cureni i al cderilor de tensiune n reele buclate 376

6.7 CALCULUL PIERDERILOR DE PUTERE I ENERGIE 6.7.1. Generaliti 382 6.7.2. Calculul Consumului Propriu Tehnologic CPT de energie electric 383 6.7.3. Reducerea pierderilor de energie n reele 386

6.8 DETERMINAREA SECIUNII CONDUCTOARELOR LINIILOR ELECTRICE 6.8.1. Pe baza nclzirii admisibile 388 6.8.2. Pe baza criteriului pierderilor de tensiune 389 6.8.3. Pe baza ipotezei seciunii economice 392

Bibliografie 394

73

1. EVOLUIA ENERGETIC A SOCIETII MONDIALE I ROMNETI

1.1. RESURSE ENERGETICE. CONSUM

Generaliti. Pentru nceput, este util a trece n revist o serie de noiuni elementare; astfel, Resursele energetice sunt date de totalitatea purttorilor de energie de toate felurile, minerale neregenerabile crbune, petrol etc. i formele de energie regenerabile ca de ex. cea solar; rezervele se refer doar la o parte din resurse, exploatabile cu ajutorul tehnologiilor actuale la costuri rezonabile economic. n cazul resurselor regenerabile ca de exemplu hidraulic, solar i biomas, este uzual a se referi doar la ratele anuale de exploatare ale acestora i, n acest sens termenul de resurse poate fi perceput ca ultima rat de producie ce poate fi potenial obinut, n timp ce rezervele semnific rata produciei realizabil comercial la o anumit dat. Forumul internaional pentru dezbaterea problemelor energetice mondiale a fost, ncepnd cu anul 1924, Conferina Mondial a Energiei CME. Dei actualmente resursele energetice cunoscute sunt cele mai mari astzi comparativ cu orice alt perioad istoric, iar lucrurile au evoluat semnificativ n ultimul timp, dup declanarea crizei energetice mondiale o realist abordare global a problemei a nceput cu CME de la Istanbul, 1977 prin raportul Comisiei de Conservare a Energiei, ntocmit ntre ali experi i de prof. romn Ioan D. Stncescu (Centrul de Resurse Naturale, Energie i Transport, ONU), cu concluzii i previziuni pn n anul 2020, [1]. Observaiile desprinse privesc a. cile prin care ar trebui mbuntit alimentarea cu energie din resurse regenerabile i

neregenerabile; sunt cuprinse aici att resursele convenionale ca de ex. alimentarea cu petrol, gaze naturale, crbune, energie hidraulic i resurse nucleare, ct i resurse neconvenionale precum solar, geotermal i fuziune nuclear,

b. limitele probabile i rezonabile pn la care msurile de conservare ar putea reduce cererea de energie, cu atenie sporit ndreptat pentru conservarea resurselor de gaz i de petrol prin nlocuire cu alte resurse mai abundente fie re- sau neregenerabile.

Semnificaie. Se pot lua deciziile cruciale pentru stabilitatea energetic a societii pe perioada analizei efectuate, tiind c problema energetic ocup locul secund n lista problemelor globale ale omenirii, dup problema pcii.

Potenial de conservare. Rezult din implementarea mai multor factori, astfel creterea preului energiei, mbuntiri tehnologice, substituirea tipului de combustibil, schimbri posibile ale stilului de via, n general tot ce poate fi reunit sub adevrul de folosirea inteligent a energiei(wiser use of energy).

1.2. ACCESIBILITATE LA RESURSE ENERGETICE PRIMARE

1.2.1. TABLOUL PRODUCIEI DE RESURSE ENERGETICE POTENIALE

Tabloul produciei de resurse energetice poteniale neregenerabile proiectate pn n anul 2020 este dat n tabelul 1.1. i fig. 1.1. Crbunele i resursele nucleare sunt ateptate la o cot de participare de peste 55% din total n fapt formula de supravieuire energetic n viitor este 2C, cu referire la extracia sporit de Crbune i energice msuri de Conservare, extraciile de gaze i petrol vor atinge probabil nivelul maxim imediat dup anul 2000 cu o participare de aprox. 1/3 din totalul produciei de energie, iar resursele neconvenionale de petrol i gaze vor avea probabil o mic cot de participare de cteva procente la nivelul anului

74

de proiecie 2020. n total resursele probabile neregenerabile vor fi responsabile cu aprox. 80% din alimentarea cu energie a lumii la nivelul anului 2020.

Fig. 1. 1. Producia anual mondial din resurse neregenerabile.

Fig. 1 .2. Producia mondial de energie din resurse regenerabile. Tabel 1.1

Producia potenial de energie primar pe Terra Resursa 1972 1985 2000 2020 Crbune 66 115 170 259 Petrol 115 216 195 106 Gaze 46 77 143 125 Nuclear 2 23 88 314 Hidraulic 14 24 34 56 Petrol i gaze neconvenionale 0 0 4 40 Regenerabile, solar, geotermal, biomas 26 33 56 100 Total 269 488 690 1000 exajouli (1 EJ = 1018J)

1.2.2. TOTALUL ENERGIEI ANUALE

Totalul energiei anuale obinute din resurse regenerabile hidraulic, biomas i solar este de ordinul a 15%, fig. 1.2; de remarcat c energia din resurse hidraulice va crete, dar cota sa parte la producia mondial de energie se estimeaz a se stabiliza la circa 5% la nivelul anului 2020. Energia solar i biomasa vor rmne la nivele nesemnificative,

75

probabil, dei se spera ntr-o participare de aproximativ 7% din totalul alimentrii cu energie pe plan mondial; la fel i cu energia obinut din resurse geotermale (circa 2%, dar, probabil - previziunile au fost optimiste).

1.3. PROGNOZE

Extrapolarea tendinei de cretere reprezint una din tehnicile curente utilizate n a evalua necesarul de energie la finele unei perioade; pentru modelul Cavendish al Univ. Cambridge s-au ncercat evaluri nalte de 4,1 % respective coborte de 3% ale ratei de cretere a cereri mondiale de energie; ori se tie c trebuie s existe o corelare necesar ntre cererea de energie i creterea economic i c, probabil, se va satura progresiv la rile industrializate cererea de energie, n timp ce standardul de via al rilor n dezvoltare va atinge relaia necesar dintre creterea economic i consumul energetic la nivelul care exist n rile dezvoltate. Extrapolarea tendinelor de cretere a consumului de energie n diverse perioade istorice ale omenirii conduce la rezultate cu dispersie exagerat pentru consumul energetic al anului 2020. n primul rnd, o cretere a ratei cererii de energie de numai 2%/an (1860 la 1975) conduce la o cerere de numai 700 EJ, care cu greu ar acoperi nevoile decente de trai ale populaiei planetei; pe de alt parte, efectul unei creteri de 4,3%/an /1960 la 1975) conduce la un necesar de circa 2100 EJ ce ntrece cu mult estimrile optimiste de soluionare posibil la nivelul anului 2020 a consumului de energie.

Concluzia este c, aceast tehnic de extrapolare conduce la a delimita nivelul sub care nu trebuie s scad cererea de energie mondial. Se consider raional ca cererea de energie la nivelului anului 2020 s nu ntreac, rezonabil, nivelul de 1000 EJ fig. 1.3. (de sus n jos: cererea total de energie la nivel mondial, OECD ri dezvoltate bazate pe economia liberului schimb, cu aprox. rile actualmente n tranziie, ri n curs de dezvoltare iniial modeste apoi cu tendin de majorare a consumului energetic dup anul 2000).

Fig. 1.3. Scenariu probabil privind evoluia mondial a consumului energetic. 1.3.1. CONSERVAREA ENERGIEI

76

Conservarea energiei este termenul desemnat pentru a descrie toate eforturile ndreptate spre diminuarea intensitii consumului energetic i sumeaz o serie de msuri rezonabile ce se pot lua astfel nct s se elimine toate cile curente de utilizare neraional a energiei, precum i utilizarea potenialului care nc mai exist n limitele permise de legile privind prezervarea mediului ambiant; acestea se pot rezuma astfel:

a face mai bine, adic ameliorri tehnologice, a face cu altceva, adic a nlocui cu noi resurse energetice pe cele aflate n epuizare, a face cu mai puin, adic a opera schimbri n stilul de via (energetic).

Cu alte cuvinte, obiectivul principal al politicii de conservare a energiei este de a realiza cel mai economic mod posibil de producie incluznd i pe cel al energiei, n vederea optimizrii la nivel global a relaiei de ordine care trebuie s existe ntre consumul de energie i creterea economic; se tinde deci, n toate sectoarele a se diminua cantitatea de energie ncorporat per unitatea de produs intern brut PIB, adic aa-numita intensitate energetic.

1.3.2. STRATEGII

Dezvoltarea strategiilor curente la scar global de asigurare a alimentrii cu energie pe o perioad de cteva decade de aici nainte, reprezint un merit incontestabil; problema multi-faet de alimentare sigur a lumii cu energie cuprinde acele aspecte ale incertitudinii creterii economice mondiale, relaiile de ordine referitor la energia nglobat per unitatea de produs, posibile tendine ale preului energiei i cererii de energie, problema elasticitii preurilor, viteza cu care resursele tradiionale pot fi produse i timpul necesar pentru dezvoltarea tehnologiilor pentru noi resurse, viteza cu care gazele i petrolul pot fi nlocuite pe piaa energiei cu noi resurse, potenialul pentru conservarea energiei, impactul asupra mediului al produciei de energie i utilizarea sistemelor energetice naionale i implicaiile asupra securitii naionale n legtur cu alimentarea sigur/nesigur de energie. n ciuda tuturor acestor nesigurane, planificarea trebuie s mearg nainte, bazat pe cele mai bune surse accesibile de informare. Componentele sunt urmtoarele (pn n anul 2020 nlocuirea extensiv cu alte resurse primare a petrolului i gazelor va deveni obligatorie ! fiind obinute din categoria resurselor regenerabile ca de ex. solar): conservarea dat de eficientizarea utilizrii energiei este un factor cheie al politicii

energetice n viitor, dar cererea masiv prognozat de energie n viitor nu poate fi satisfcut simplu prin

utilizarea mai eficient a resurselor accesibile de energie i, n consecin se impun urmtoarele elemente de spectru al strategiei privind alimentarea cu energie, legat de:

producia maxim de resurse neregenerabile - crbune, petrol, gaze i material nuclear fisionabil,

dezvoltarea semnificativ a resurselor de gaze i petrol neconvenional, dezvoltarea n timp util a resurselor regenerabile ca hidro, solar, geotermal, biomas i

fuziune.

1.4. ELEMENTE DE POLITIC ENERGETIC N VIITOR

Aceste elemente prioritare sunt urmtoarele [2,3]: 1. Decizii prompte cu privire la asigurarea alimentrii cu resurse energetice, elementul timp

fiind critic. 2. Elementul top de prioritate trebuie s fie eficientizarea utilizrii energiei. 3. Politica de conservare trebuie s fie condus cu fermitate, folosind posibile mijloace

77

legislative i fiscale. 4. Dezvoltarea susinut a programelor de substituire a petrolului i gazelor cu crbune i

resurse nucleare trebuie iniiat ct mai curnd. 5. Acorduri corespunztoare ntre guverne i industria de asigurare cu resurse energetice

pentru procurarea adecvat de capital. Tabelul 1.2

Resursele energetice ale planetei Re s u r s a Cantitatea Neregenerabile Combustibili fosili Crbune 10125 * 109 t Petrol 260Gt Gaze naturale 10500 EJ Petrol sintetic 1125 Gt Gaz sintetic 100000 EJ Nuclear Uraniu 3 * 106 t Thoriu 0,6* 106t Regenerabile Hidroelectric 35 EJ/an Solar 5 *106 EJ/an Geotermal 10 EJ/an

1.5. STRUCTURA RESURSELOR

Energiile dense, sunt acelea stocate deja n scoara terestr i concentrate: crbunele, petrolul, gazele naturale, uraniul; energiile difuzate i intermitente sunt soarele, vntul, mrile, care sunt i regenerabile relativ rapid, fa de energiile intermitente - lemnul, apa, energia geotermal - regenerabile ntr-un ritm mai lent. Tabloul condensat al discuiei resurselor este urmtorul: Crbunele este legat de supravieuirea energetic a planetei noastre, prin aplicarea formulei 2C, comentat i anterior. Se fac eforturi pentru transformarea acestei resurse valoroase ntr-una curat, prin gazeificare i lichefiere, atenie sporit la transportul pe calea ferat i maritim spre marile termocentrale. Pentru anul 2020 este prognozat o producie de 8,8 mld.t. Petrolul este nc o speran pentru viitorul nu prea ndeprtat cu rezervele sale evaluate spre 300 Gt, fiind resursa cea mai intens exploatat n ultimele decenii. Continu dinamica descoperirilor de noi puuri de petrol i coeficientul de recuperare din zcmnt. Gazele naturale sunt estimate la un total mondial de 10.500 EJ, principalele zone productoare fiind rile OPEC. SUA, fosta URSS. Concurena pentru alternativa chimizrii este evident. Energia nuclear a pierdut n contextul actual caracterul su de surs foarte dinamic de energie primar, ca urmare a accidentelor cu urmri de lung durat de tip CNE Cernobl, probleme legate de depozitarea deeurilor; rezervele de thoriu sunt de aprox. 630 kt, iar de uraniu de 3 Gt. Hidroenergia este estimabil la scar planetar cu 35*1018 J i reprezint o surs primar teoretic inepuizabil i concomitent asigur apa necesar centrelor populate. Energia solar recepionat la o putere care ntrece de peste 13 000 ori puterea tuturor centralelor electrice ale planetei!! Se preconizeaz continuarea centralelor electrice solare CES de tipul Solar - One de 10 MW, SUA; pentru aplicaii curente de ap cald menajer se utilizeaz efectul de ser, obinnd un randament de pn la 60%. Este ns o energie difuz i intermitent. Bioconversia realizeaz conversia energetic a produselor fotosintezei prin

78

fermentare anaerob, tratamente termochimice etc. obinnd combustibili solizi sau lichizi. Energia eolian, energia valurilor, mareelor, energia termic a mrilor i oceanelor sunt exploatabile n zone care se preteaz bine la acest gen de conversie rmul mrii; sunt prin excelen energii difuze, regenerabile. Energia geotermal este adus la suprafa prin agentul ap fierbinte sau abur, recupernd cldura din roci; sunt puine centrale termice n lume care exploateaz acest gen de conversie energetic (Larderello, Italia). Resursele energetice secundare sunt date de ceea ce se poate recupera din cldura disipat mediului ambiant, cu scopul reutilizrii n circuitul energetic util, principal: recuperarea cldurii gazelor de evacuare, cldura cedat mediului ambiant la toate instalaiile industriale n vederea ameliorrii randamentului etc.

1.6. SISTEM ENERGETIC

Se definete curent ca fiind ansamblul instalaiilor de extracie, prelucrare, conversie, transport i distribuie extinse pe ntreg teritoriul rii este un sistem cibernetic cu legtur direct ntre producie i consum, reprezentnd n mod firesc o parte a economiei naionale.

Sistemul Energetic Naional SEN este extins pe orizontal la nivelul ntregii ri; se sprijin pe subsistemele specifice formelor sau puttorilor de energie; rezult c exist deci subsistemul energetic al petrolului SEP, al crbunelui SEC, al gazelor naturale SEG i respectiv electroenergetic SEE. Principalele componente ale sectorului energetic i relaiile de interdependen sunt indicate n fig. 1.4., [4].

Fig. 1.4. Schema de principiu a conexiunilor dintre componentele sectorului energetic i problematica asociat acestora.

n consecin, energetica ca tiin tehnic interdisciplinara, elaboreaz prognoze energetice, efectueaz studiul resurselor energetice, optimizeaz funcionarea centralelor

79

electrice i respectiv alimentarea cu energie a consumatorilor n condiiile optimizrii reelei de transport i distribuie.

1.6.1. SITUAIA ENERGETIC A ROMNIEI

Plecnd de la mici uzine locale care asigurau att producerea ct i distribuia energiei produse aprute nc din 1884, n diferite zone ale trii s-au conturat sisteme energetice locale, ulterior interconectate n anul 1958 n cadrul Sistemului Energetic Naional SEN. Astzi puterea electric instalat n SEN totalizeaz peste 20 GW, administrativ fiind n subordinea a 36 de filiale electrocentrale (deocamdat deservite de aproximativ 50.000 de tehnicieni).

Romnia a fost o ar bogat n resurse energetice pe care le-a i exportat pn n anii 70 (resursele bogate de uraniu au fost practic epuizate la nivelul anului 1965), devenind apoi importator de energie electric i resurse energetice primare. Rezumativ, se pot prezenta urmtoarele informaii grafice, astfel [5]: Tabloul produciei i prognozei produciei din resurselor energetice interne aflate n declin, este ilustrat n fig. 1.5; producia de energie electric este sugestiv indicat n tabelul 1.3.

Fig. 1 .5. Dinamica resurselor energetice primare din Romnia Tabelul 1.3

Generare i consum de electricitate Sursa de acoperire 1989 1992 1993 1994 1.995 1.Producie, % din care:

87,0

89,8

94,1

95.9

93,9

CTE/crbune, % 35,9 37,9 39,7 41,9 39,3 CTE/hidrocarb.,% 36,1 31,9 32,3 30,8 27,6 CHE,% 15,0 20,0 22, 1 23,2 27,0 2. Autoproductori, % 3,6 3,0 2,6 2,8 2,3

3.Import de kWh, % 9,4 7,2 3,3 1,3 3,8 Consum intern % 100 100 100 100 100 total TWh 83,66 58,62 58,47 56,93 61,54 Putere medie/an, MW 9.550 6.692 6.675 6.499 7.025

1.6.2. STRUCTURA PUTERII ELECTRICE INSTALATE

80

n centralele electrice din SEN este urmtoarea: la un total de 21,8 GW-100% (aprox. 1kW/locuitor!), CTE pe hidrocarburi contribuie cu 7,38 GW-33,8%, cele pe crbune cu 8,61 GW 39,5%, iar CHE cu 5,8 GW 26,7%. Repartizarea geografic a SEN- fig. 1.6 relev i o reea puternic de linii de transport, staii i posturi de transformare - conform i tabelului 4 de mai jos:

Reeaua de transport i distribuie Nivel tens.,kV 750 400 220 110 Linii,total km 154 4474 4134 17.900 LEC,km - - - 200 Staii+ PT 1 26 49 968 Putere,MVA 35690,6 50.010

Fig. 1 .6. Amplasarea geografic a SEN al Romniei

Referitor la energia de origine hidro, aceasta este de aprox. un sfert, excepie fcnd anii foarte ploioi precum 1997, cnd ponderea hidroenergiei s-a ridicat la circa 40% din total.

Prin coinciden, tot aprox. un sfert este i ponderea hidroenergiei la scar mondial.

1.6.3. DEZVOLTAREA SISTEMULUI ENERGETIC NAIONAL

Dezvoltarea Sistemului Energetic Naional (SEN) ntr-o concepie logic, sistemic innd cont de opiunile de dezvoltare a sectorului energetic este indicat n fig. 1.7, iar elaborarea unei strategii, n general, parcurge schema logic de principiu conform fig. 1.8.

81

Fig. 1 . 7. Schema logic a elaborrii studiilor privind dezvoltarea energetic ntr-o concepie sistemic

82

Fig. 1. 8. Schema logic general a unei strategii

1.7. CURBE DE SARCIN

83

1.7.1. GENERALITI

Supervizarea corect a SEN implic cunoaterea modului de consum al energiei de ctre consumatori i respectiv de sistem n ansamblul su; cu alte cuvinte, trebuie cunoscute curbele de sarcin respective pentru a putea programa/prevedea n linii mari energia ce urmeaz a fi generat [6,7]. Curba de sarcin CS electric este reprezentarea grafic a regimului de funcionare a instalaiilor electroenergetice, fiind i un excelent mijloc de caracterizare energetic a unui productor sau consumator de energie electric; toate elementele sistemului generatoare, transformatoare, motoare etc. precum i staiile electrice, reelele i chiar sistemul energetic naional SEN n ansamblu - au propriile CS.

1.7.2. CLASIFICARE

Dup intervalul de timp i puterea nregistrat se disting CS zilnice, sptmnale, anuale de var sau de iarn, i respectiv de putere activ sau reactiv (de regul ultima urmrete ndeaproape pe prima, iar pierderile de energie activ rezult din considerarea ambelor nregistrri). CS sunt date direct de nregistratoarele de putere activ P i reactiv Q, respectiv indirect prin citiri orare de aparate indicatoare (P, Q, sau P, U, I) sau contoare (Wh, VArh).

1.7.3. UTILITATE

CS sunt remarcabile prin efectuarea evidenei circulaiei de energie, depistarea de anomalii cum ar fi sporirea energiei absorbite la aceeai producie ca urmare a deteriorrii agregatelor tehnologice etc. se poate trasa curba puterilor maxime cerute, rezultnd date utile pentru proiectantul de sistem energetic referitor la dinamica de cretere a consumului energiei absorbite de consumatori i care trebuie acoperit prin montarea de noi grupuri. n funcie de studiul efectuat, se pot face detalieri: bunoar, consumul industrial include i iluminatul, iar ponderea important revine ctorva secii de producie energofage i n consecin se ridic curba de sarcin pe fiecare secie i, dac este cazul, pe fiecare agregat mai important n parte etc.

1.7.4. DEFINIII

Referitor la puterile livrate de un agregat energetic se pot face cunoscute urmtoarele relaii de definiie uzitate curent de specialitii energeticieni; astfel, conform figurii 1.9 (STAS 2551-69) este vorba de [8,9]: Pi este puterea instalat, marcat pe plcua indicatoare, Pd puterea disponibil (maximul de putere activ n regim de funcionare de durat), Pind =Pi-Pd puterea indisponibil, Ped puterea efectiv disponibil (maximul de putere activ n regim de durat lund n

considerare puterea indisponibil i reducerile trectoare de putere), Pred, d = Pd Ped - reducerea de putere disponibil, Pe,ind = Pind + Pred, d - puterea efectiv indisponibil, Pu - puterea utilizat (maximul de putere activ posibil de dezvoltat de grupurile ce nu

sunt n reparaie n condiiile definitorii pentru Pd), Pd, rep = Pd Pu puterea disponibil n reparaie, Pinu = Pi Pu = Pind + Pd, rep - puterea inutilizabil,

Peu - puterea efectiv utilizat (maximul de putere activ posibil de dezvoltat de grupurile

84

ce nu sunt n reparaie n condiiile definitorii pentru Ped), Pe d rep = Ped - Peu - putere efectiv disponibil n reparaie, Pred s = Pu - Peu - reducerea de putere utilizabil, Pe, inu = Pi - Peu = Pe ind + Ped s puterea efectiv inutilizabil, Pnf puterea nominal n funciune, Pe uf puterea efectiv utilizabil n funciune, Pp puterea produs momentan, Prt = Peuf - Pp - puterea n rezerv turnant, Prs = Peu - Peuf - puterea n rezerv static, Preu = Peu - Pp - puterea n rezerv efectiv utilizabil, Ps - puterea de suprasarcin (produs peste puterea Pi).

Fig. 1.9. Schema definiiilor puterilor

1.7.5. INDICI CARACTERISTICI PENTRU CENTRALELE ELECTRICE

Energia activ Ea , reactiv Er - este integrala puterii active produse Pp, respectiv reactive Qp n intervalul de timp t considerat (24 h diurn, 8760 h anual etc.), astfel:

==t

pa

t

pa dtQEdtPE00

[MWh, MVArh]

85

Puterea medie rezult prin mprirea energiei la intervalul de timp respectiv, astfel

Pmed zi = Ezi / 24 ; Pmed an = Ean / 8760, [kW, MW] Aadar, puterea medie este un nivel de putere fictiv, constant, la care dac s-ar

funciona s-ar genera aceeai energie ca i n cazul nregistrrii reale.

Puterea medie ptratic extins la intervalul temporal T, este:

( ) 21

0

2/1

=

T

ppmed dtPTP

Curba puterilor clasate anuale se construiesc pe baza nregistrrilor diurne considerate tipice pentru un anumit numr de zile; fiecare punct al acestei curbe clasate de coordonate (P, t) - indic faptul c n anul respectiv s-a funcionat intervalul de timp t la o putere mai mare dect valoarea P, conform figurii 1.10.

Fig. 1 .10. Ridicarea curbei puterilor clasate anuale din CS diurne.

Coeficientul de utilizare al puterii instalate kPi

kPi = Ean(8760 PI) = Pmed /Pi

Coeficientul de utilizare al puterii maxime kpmax (nnegrire CS)

kpmax = Pmed / Pmax

Durata utilizrii puterii instalate TPi, respectiv maxime, Tp max

Tp i = Ean / Pi ; Tp max = Ean / Pmax

n fig. 1.11. se dau exemple ridicate prin metode statistice de CS clasate anuale pentru diferite valori ale parametrului Tpi, folosite atunci cnd CS diurne variaz de la o zi la alta.

86

Fig. 1.11. CS clasate anual, n funcie de diverse durate de utilizare a puterii instalate.

Coeficienii de form ai CS, dup curent I respectiv putere aparent S indic gradul de neuniformitate al nregistrrii, astfel:

kf = Imed p / Imed ; kf = Smed p / Smed

Curba anual a puterilor maxime lunare cerute de consumatori indic perioadele n care se pot executa reviziile grupurilor energetice, fig. 1.12, astfel: la puterile maxime cerute de consumatori se adaug consumul serviciilor interne din centrale rezultnd linia punctat a puterii maxime la borne Pp distana pe vertical ntre puterea efectiv disponibil i puterea la borne indic suma puterilor pentru rezerva turnant static i respectiv puterea existent n reparaie. n fine, suprafaa haurat SA marcheaz diferena dintre puterea efectiv disponibil Ped i puterea efectiv utilizat n funciune Peuf

87

Fig. 1. 12. Machetarea CS anuale a puterilor maxime apelate de consumatori de la o central electric

Observaie: 1 - n lipsa unui aparat nregistrator de calitate, CS diurn poate fi aproximat printr-o medie a puterii produse n intervalul dintre dou msurtori succesive culese de tablotar. Tipic CS se caracterizeaz printr-un vrf de putere apelat de reea dimineaa i seara Ppv i respectiv un gol de noapte i de prnz Pp min - astfel nct raportul lor subunitar reprezentnd o caracteristic a modului de funcionare, cu att mai echilibrat cu ct se apropie de valoarea unitate; consumul urban, cel casnic i comercial conduc de regul la coeficieni ce indic un dezechilibru accentuat, coeficientul respectiv putnd cobor spre 0,2 (v. i fig. 1.13).

2 - Acoperirea CS are loc, ntr-o situaie normal de funcionare a SEN, astfel: la baz opereaz CNE CTE i CHE pe firul apei, zona 1; ceva mai sus, CET cu grafic de producere de energie termic n sistemul de termoficare (cogenerare de energie termic i electric) - zona 2; zona 3 este acoperit de CTE cu grupuri de putere medie i de CET care produc n regim de condensaie, vrfurile CS revin ca acoperire CHE cu lac de acumulare zilnic, zona 4 precum i CTG (n msur mai mic), fig. 1.14. 3 - Puterea cerut de serviciile proprii la CTE este de 4-6-8% dup cum este folosit gazul, pcura sau crbunele, iar la CET aceste consumuri se suplimenteaz cu circa 2%; de remarcat, la CHE acest consum este cu un ordin de mrime mai redus, deci - practic neglijabil.

.

88

Fig. 1.13. Ridicarea CS diurne prin puncte luate ca valori de putere medie. 1 puterea la borne; 2 puterea necesar a fi n funciune; 3 puterea apelat de

consumatori.

Fig. 1.14 Modul de acoperire a CS la nivelul SEN.

89

1.7.6. APLATIZAREA CURBELOR DE SARCIN

Aplatizarea Curbelor de Sarcin (CS) reprezint un deziderat pentru funcionarea economic a SEN. rezolvabil n bun msur prin disciplinarea consumatorilor: planificarea funcionrii seciilor de producie energofage n sensul exploatrii golurilor de sarcin, trecerea la lucrul n trei schimburi, aplicarea de tarife difereniate de noapte/zi, interconectarea cu sisteme energetice vecine (actualmente la reeaua european prin sistemul UCPTE n particular LEA 400 kV Mintia Sibiu dotat cu aparataj primar ultramodern i protecii numerice realizeaz n prezent tocmai o astfel de legtur).

Doar aparent, selectarea prin punctul de dispecer energetic naional (central) DEN i cele cinci subuniti teritoriale DET a centralelor electrice destinate funcionrii spre un regim optim de baz, semibaz, semivrf i vrf - caut, prin machetarea CS, satisfacerea preteniilor unui consum mai mult sau mai puin disciplinat; n ultimul timp n lume s-au depus eforturi pentru implantarea CHE cu acumulare prin pompare CHEAP. Acestea din urm consum energie de la reea pe timp de noapte, pompnd apa n rezervorul amonte, alternatorul opernd n regim de motor sincron; dimineaa i seara, o parte din aceast energie stocat hidraulic este returnat reelei electrice de interconexiune prin turbinare (randamentul

90

[ ]snndF

,;

=

=

unde - n este numrul de elemente ce s-au defectat, respectiv s-au restabilit n intervalul de timp de testare; F i d reprezint timpul total de funcionare, respectiv de oprire n avarie.

Coeficienii de succes p respectiv de insucces q n regim staionar, precum i numrul mediu de defectri i restabiliri n n intervalul de testare sunt dai de relaiile:

( ) ( ) ( )+

=

+

=

+

= ';; nqp .

Analiza atent a acestor indici sintetici indic direcia de urmat privind o exploatare atent i, n consecin, o proiectare ameliorat; spre exemplu, disponibilitatea cazanelor este inferioar turbinelor, iar creterea parametrilor conduce la accentuarea diferenei etc.

91

2. CALCULUL CURENILOR DE SCURTCIRCUIT

2.1. CONSIDERAII GENERALE

Alegerea i verificarea aparatajului primar de comutaie i msurat, a cilor de curent precum i stabilirea reglajelor proteciilor prin relee este precedat n mod esenial de evaluarea prin calcul a curenilor de scurtcircuit.

Dei majoritatea scurtcircuitelor care au loc n practic ntr-un sistem electroenergetic sunt nesimetrice, scurtcircuitul simetric (trifazat) este important, deoarece conduce de regul la solicitri dinamice i termice mai severe (acoperitor).

Regimul tranzitoriu determinat de scurtcircuit este complicat de descris prin relaii matematice exacte. Un calcul tehnic, ingineresc, se efectueaz n anumite ipoteze simplificatoare, ce reduc ntructva precizia rezultatelor.

Se admit n general, urmtoarele ipoteze simplificatoare: - miezurile sistemelor magnetice se consider nesaturate; - se neglijeaz curenii de magnetizare ai transformatoarelor i autotransformatoarelor; - sistemul trifazat este perfect simetric; - t.e.m. ale surselor din sistem se consider n faz; - se neglijeaz constantele transversale - capacitile fazelor, rezistentele de izolaie etc;

- se neglijeaz rezistenele pentru circuitele de .t.; se iau n considerare numai atunci cnd sunt peste 1/3 din valoarea reactanei echivalente;

- nu se ine seama de apariia arcului electrice la conectarea sau deconectarea aparatelor electrice (Zarc 0); stabilirea contactului i ntreruperea lui se consider instantanee, iar elementele schemei se presupun concentrate;

- consumatorii se introduc n calcule cu aproximaie; - se ignor pendulrile generatoarelor sincrone etc.

Suplimentar, funcie de scopul pentru care se efectueaz calculul curenilor de scurtcircuit, se mai iau n considerare i alte ipoteze. Astfel de exemplu, la reglarea proteciei prin relee, intereseaz n mod deosebit valorile minime ale curenilor de scurtcircuit, fapt pentru care nu se admit acele ipoteze care conduc la minimizarea valorilor numerice. Dimpotriv, la alegerea elementelor instalaiilor electroenergetice trebuie s se cunoasc cele mai mari valori ale curenilor de scurtcircuit; prin urmare se pot admite ipoteze de calcul care conduc la rezultate numerice mai mari.

2.2. VARIAIA N TIMP A CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT

Diagrama de variaie n timp a curentului de scurtcircuit este complex pentru c descrie un fenomen complex. Unele aspecte ale fenomenului se explic prin nsui procesul de scurtcircuit, iar altele prin comportarea bizar a generatoarelor sincrone la scurtcircuit.

n vederea nelegerii fenomenului determinat de procesul de scurtcircuit, se va admite iniial o surs de tensiune constant, dup care se vor analiza particularitile legate de comportarea alternatoarelor la scurtcircuit.

2.2.1.ALIMENTAREA SCURTCIRCUITULUI DE LA O SURS DE TENSIUNE CONSTANT

n fig. 2.1.a s-a reprezentat un circuit simplu, racordabil la o surs de tensiune constant printr-un ntreruptor D. Se presupune c nainte de nchiderea lui D, a avut loc un

92

scurtcircuit ntre punctele a - a, astfel c ntre surs i locul de scurtcircuit apare o impedan Z mult mai mic dect impedana de sarcin Zs. Dac nchiderea ntreruptorului D are loc la un unghi , dup trecerea prin zero a tensiunii alternative u, conform figurii 2.1.b, pentru deducerea regimului tranzitoriu al curentului, se scrie ecuaia diferenial:

( )dtdiLiRtUu +=+=

sin (2.1)

Soluia ecuaiei (2. 1) conine componentele forat i liber: ( ) ( ) ( ) ( ) +=+= tff Aetitititi 1

unde: ( )RXRL == // reprezint constanta de timp a circuitului.

Fig. 2. 1. nchiderea pe scurtcircuit a unei surse de curent alternativ.

Pentru t = 0, ( ) Aii f += )0(0 deci ( )0fiA =

Dar ( ) ( ) ( )=++

=

tIttR

Ui tf sinsin222

( ) === ,sin0 AIi f

n consecin, expresia general a curentului este:

( ) ( ) ( ) ( )tititIeIti pst +=+=

sinsin (2.2)

conine componentele aperiodic i periodic.

Discuie: 1o n cazul general, momentul nchiderii lui D (caracterizat prin unghiul

pentru ./ constRarctgL == ) este oarecare; intereseaz momentele extreme de timp. Astfel la:

( ) ppappap

iitIiit

iIiIit

====

====

+

,sin0:

0,sin,sin:0

93

deci n momentul producerii scurtcircuitului - apare ca o reacie instantanee a circuitului, componenta aperiodic (de curent continuu) care se opune valorii corespunztoare a componentei periodice, astfel nct n primul moment curentul din circuit este nul. Adunnd punct cu punct ordonatele celor dou componente, rezult curba real a curentului de scurtcircuit aa cum s-ar obine dac s-ar oscilografia fenomenul, fig. 2.2.a.

Primul maxim al curbei se numete curentul de oc. Dureaz doar o semiperioad deci nu poate produce efecte termice; n schimb, determin solicitri electrodinamice datorit amplitudinii sale. De efectele termice este rspunztoare componenta alternativ care dureaz practic ct timp dureaz scurtcircuitul, ntruct componenta continu se stinge repede, n cteva perioade; dup aceasta urmeaz poriunea stabilizat.

2o Cazul ( )== ,0 , deci nchiderea circuitului se face cnd curentul ar trece prin zero. Se constat c dispare componenta de curent continuu, unda curentului de scurtcircuit avnd o alur simetric n raport cu axa timpului (fig. 2.2.b) deci:

( ) tIi t =

sin

3o Pentru

pi=pi=

2,

2, componenta aperiodic are valoarea maxim i

determin n acest fel i valoarea maxim pentru curentul de oc. Astfel curentul de scurtcircuit este:

( )teIi t = cos/

iar curentul de oc este:

( ) =+== =

21/01,001,0 IeIti stoc (2.3)

unde: ( )+= /01,01 e este factorul de oc care depinde de constanta a circuitului n discuie; n mod normal pentru scurtcircuit n instalaiile de nalt tensiune n imediata vecintate a sursei = 1,8 pentru un raport R/X0,07. Gama de variaie posibil este dat mai jos:

R/X 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 2.0 1.75 1.55 1.4 1.32 1.24 R/X 0.6 0.7 0.8 1.0 1.2 1.18 1.14 1.1 1.06 1.04 Observaie. La determinarea lui ioc se consider de obicei numai amortizarea componentei periodice a curentului de scurtcircuit i se presupune c amplitudinea curentului periodic de scurtcircuit i pstreaz valoarea iniial supratranzitorie n timpul primei semiperioade, ceea ce este foarte aproape de realitate.

4o Cazul practic al circuitelor de nalt tensiune este c acestea pot fi considerate pur inductive n bucle de scurtcircuit, caracterul activ fiind dat de sarcina normal care este scurtcircuitat i deci pi / 2, n consecin:

- pentru ca ioc = max, trebuie ca = pi / 2, deci = pi adic momentul de conectare al scurtcircuitului s aib loc la trecerea prin zero a tensiunii de alimentare;

- dimpotriv, dac momentul nchiderii are loc cnd curentul trece prin zero, dispare componenta continu i curba curentului de scurtcircuit este simetric (nu exist curent de oc);

94

Caracteristic scurtcircuitului alimentat de o surs de tensiune constant este faptul c amplitudinea componentei sinusoidale nu se modific n timp (ideal).

Not: Pentru cazul scurtcircuitului trifazat situaia expus mai sus corespunde cu situaia unei faze, curenii pe celelalte dou faze fiind decalai n timp cu 2/3 rad.el.

Valorile caracteristice ale curentului de scurtcircuit sunt detaliate n figura de mai jos.

Fig. 2.2. Diagrama curentului de scurtcircuit n cazuri particulare. a. nchiderea circuitului are loc ntr-un moment oarecare (cazul general);

b. scurtcircuitul se produce cnd curentul ar trece prin zero (se observ absena componentei de curent continuu);

c. scurtcircuitul are loc n momentul trecerii prin zero a tensiunii de alimentare, rezultnd un curent de oc de valoare maxim

2.3. COMPORTAREA MAINII SINCRONE LA SCURTCIRCUIT TRIFAZAT BRUSC, APROPIAT

Scurtcircuitul trifazat brusc la bornele nfurrilor statorice ale unei maini sincrone reprezint, n ciuda duratei sale relativ scurte, un regim tranzitoriu greu pentru main ca i pentru aparataj inclusiv reeaua de legtur cu maina, circulaiile de curent n acest caz pot ntrece valorile nominale de 10 15 ori. (Scurtcircuitul apropiat de generator - scurtcircuitul pe barele staiei de racord, pe liniile de transport din vecintatea staiei centralei electrice etc. pot fi asimilate cu un scurtcircuit la bornele mainii).

De remarcat c fenomenul unui scurtcircuit trifazat brusc difer considerabil de cel al unui scurtcircuit permanent. Aceasta deoarece n timpul unui scurtcircuit simetric permanent, t.m.m. de reacie a indusului are o amplitudine constant n timp, motiv pentru care nu induce cureni n rotor.

n timpul unui scurtcircuit brusc curenii statorici nregistreaz un salt rapid, la fel i aciunea lor demagnetizant asupra rotorului, scurtcircuitul fiind o sarcin practic total inductiv pentru alternator. La fel de repede se manifest reacia indusului care induce cureni liberi n nfurarea de excitaie i n circuitele amortizoare astfel nct n ntrefier fluxul rezultat rmne neschimbat n momentul producerii scurtcircuitului. La rndul lor, curenii liberi din rotor influeneaz curenii din stator. Cuplajele magnetice stator - rotor, variabile n timp, datorit saturaiei care are loc, face ca fenomenul de scurtcircuit brusc la borne s fie foarte complex.

Pentru a explica calitativ fenomenele, situaia se poate discuta pe o main cu poli apareni cu o singur nfurare statoric i care comport de lng nfurrile de excitaie propriu-zise i o nfurare amortizoare dup axa longitudinal. Iniial maina era n gol, iar la momentul t=0 apare brusc un scurtcircuit la bornele nfurrii statorice.

95

Fig. 2.3. Fluxul magnetic al unei maini sincrone i schema pasiv de reactan n momentul iniial al unui scurtcircuit.

n vederea determinrii reactanei echivalente variabile a mainii ncepnd din momentul producerii scurtcircuitului, se examineaz cu ajutorul figurii 2.3 permeana echivalent a drumului urmat de fluxul care mbrieaz spira unic a fazei A-A; dar, permeana este proporional cu reactana X.

Se observ c fluxul amintit este format din dou componente: unu care urmeaz drumul fluxului propriu de scpri al nfurrii statorice notat cu i altul care strbate ntrefierul ad, ptrunde mai greu n fierul rotoric care s-a saturat ntre timp i urmeaz, nseriate, cile fluxului de scpri a excitaiei ex i al amortizorului y, plasat pe axa longitudinal, pentru ca apoi s strbat din nou ntrefierul, mbrind faza statoric unic. n mod normal, fluxul mainii se nchide prin miezul rotoric dar n situaia de fa fluxul se nchide mai mult prin aer dect n situaia de regim stabilizat. Din acest motiv reactana echivalent a mainii scade cu aproximativ un ordin de mrime pentru primele momente ale scurtcircuitului. Se pot scrie relaiile: 21 += ech (ci n serie) (2.4)

yexad +

+

= 1111

2 (ci n paralel) (2.5)

iar x1 deci

yexad

dech

XXX

XXX 1111

"

+++== (2.6.)

ceea ce conduce la schema pasiv cu reactane din fig. 2.3 .b. Reactana supratranzitorie X"d caracterizeaz maina n primele momente i e de

valoare redus, de circa 15 20%. Pe msur ce se sting curenii liberi din rotor, fluxul ptrunde din ce n ce mai mult n fierul rotoric, deci pe un drum cu permean sporit. Rezultatul este creterea reactanei mainii la valoarea tranzitorie X'd 28-30% i apoi la valoarea sincron Xd 200%. Aadar, apar trei regimuri distincte, astfel:

a. Supratranzitoriu caracterizat de X"d i care este cel mai scurt, aproximativ ct dureaz curenii liberi din amortizor. Descreterea curentului se face cu constanta de timp

96

supratranzitorie "dT . Aadar reactana supratranzitorie este reactana efectiv a generatorului determinnd valoarea iniial a componentei alternative a curentului de scurtcircuit.

b. Tranzitoriu. caracterizat de ( )exadd XXXX += ' care este reactana efectiv determinnd curentul iniial care ar circula dac nu ar exista rapida descretere a componentei supratranzitorii. Corespunde perioadei mai lungi de stingere a curenilor liberi din rotor cu constanta de timp Td0, dup ce s-au stins rapid curenii liberi din amortizor, ( )yX .

c. Stabilizat de scurtcircuit, caracterizat de add XXX += '

cnd fluxul reintr pe drumul normal prin fierul rotoric, ( )yex XX , ; ncepe la terminarea regimului tranzitoriu i sfrete atunci cnd este eliminat scurtcircuitul (v. i fig 2.4.).

Fig. 2.4 Componenta alternativ (valoare efectiv) a curentului de scurtcircuit din nfurarea statoric a unui compensator sincron 30 MVA.

n teoria mainii sincrone se d expresia curentului de scurtcircuit trifazat brusc la borne din faza a, maina fiind anterior n gol:

( )

( )+

+

+

+

+

+=

teXX

U

eXX

U

teXX

eXXX

Ui

a

a

dd

Tt

qd

m

Tt

qd

m

Tt

dd

Tt

dddma

0/

/

0"/'/

2cos"

1"

12

cos"

1"

12

cos1

"

11'

11

(2.7)

n care : Um este tensiunea pe faz; Xd, Xq sunt reactanele longitudinal i transversal;

T, sunt constanta de timp, respectiv unghiular. Astfel, curentul dat de curba AB din fig. 2.4. poate fi mprit n trei regimuri,

corespunztor celor trei termeni din interiorul parantezei ptrate din expresia (2.7). Curentul stabilizat de scurtcircuit, indicat prin linia punctat EF, este UmlXd,

Componenta tranzitorie, indicat prin linia ntrerupt CB, are o valoare iniial EC = Um/Xd - Um/Xd i descrete cu constanta de timp Td. Componenta supratranzitorie, dat de intersecia ntre AB i CB, are o valoare iniial CA = Um/Xd - Um/Xd i descrete cu constante de timp Td. Cele cinci componente ale curentului de scurtcircuit sunt consemnate n tabelul 2.1.

Dei faza curentului alternativ de scurtcircuit este dependent de parametrul , i difer n cele trei faze, valoarea efectiv este ns aceeai n toate cele trei faze. Valoarea iniial, obinut pentru t = 0, este Um/Xd. O dat cu trecerea timpului, curentul descrete, la nceput rapid (zona supratranzitorie), apoi mult mai ncet (zona tranzitorie) i n final se

97

stabilizeaz la o valoare de regim permanent de scurtcircuit. De regul componenta ultim se neglijeaz, ea fiind funcie de disimetria mainii dup axele d, q. Componenta continu din unda curentului de scurtcircuit statoric induce n nfurarea de excitaie (rotativ) o t.e.m. alternativ care se regsete n oscilograma curentului rotoric n timpul scurtcircuitului statoric, fig. 2.5.

Fig.2.5 . Oscilograma curentului de excitaie dup un scurtcircuit statoric. Expresia curentului de excitaie ncepnd din momentul producerii scurtcircuitului

statoric este dat sub forma:

+=

te

TT

eTT

eX

XXiii add Tt

d

KdTt

d

KdTt

d

dde 0

/"/'/ cos""

1'

'

(2.8)

Tabelul 2.1. Componentele curentului de scurtcircuit

Componenta Valoare iniial Frecvena Constanta de timp Componente alternative

1. Stabilizat d

m

XU

fundamental -

2. Tranzitorie d

m

d

m

XU

XU

'

fundamental Td

3. Subtranzitorie "''

d

m

d

m

XU

XU

fundamental Td

Alte componente 4. Asimetric cos

m

m

XU

zero Ta

5. De armonic 2 n

m

XU

dubl Ta

Observaie: Rezult deci, c n calculele de scurtcircuit, mainile sincrone se consider prin reactana lor supratranzitorie Xd

98

n concluzie: n timpul procesului tranzitoriu de scurtcircuit, generatorul sincron intervine cu o reactan variabil care, n momentul producerii scurtcircuitului are valoarea minim (Xd), iar dup amortizarea proceselor tranzitorii din main ajunge la valoarea maxim, (Xd). La fel i t.e.m a mainii trebuie considerat ca o mrime variabil n raport cu timpul pe perioada scurtcircuitului. Diferena ntre curentul de scurtcircuit supratranzitoriu i cel stabilizat este cu att mai mare, cu ct scurtcircuitul are loc, mai aproape de alternator. Dimpotriv, dac distana electric ntre alternator i punctul de scurtcircuit este mare, reactana generatorului devine neglijabil fa de reactana exterioar dintre generator i locul de scurtcircuit astfel nct curentul supratranzitoriu devine practic egal cu cel stabilizat.

2.4. INFLUENA CONSUMULUI ASUPRA CURENTULUI DE SCURTCIRCUIT

Pentru motoare i compensatoare sincrone se aplic aceleai consideraii ca mai sus; pentru motoarele asincrone, care alctuiesc majoritatea consumatorilor, contribuia lor este sensibil la curentul de oc i la curentul tranzitoriu care urmeaz a fi rupt de un eventual ntreruptor aa cum se indic n paragraful 2.6. privind metodologia practic de calcul a curenilor de scurtcircuit. n orice caz, contribuia motoarelor asincrone este vizibil n prima parte a curentului de scurtcircuit datorit stingerii rapide a cmpului propriu ncepnd din momentul producerii scurtcircuitului.

2.5. CONSIDERAREA SISTEMULUI ELECTROENERGETIC N CALCULUL CURENILOR DE SCURTCIRCUIT

Aportul sistemului trebuie judecat numai n raport cu punctul de scurtcircuit. Dac se cunoate curentul IK sau puterea supratranzitorie SK la un scurtcircuit trifazat ntr-un punct oarecare al sistemului, se poate determina reactana echivalent n raport cu acest punct pentru sistem:

"

2

" 33 Kn

K

nS S

CUI

CUX == (2.9)

unde C = 1,1 pentru reele cu Un < 400 kV; C=1, dac Un = 400 kV. Sistemul se introduce n schema de calcul printr-o reactan Xs determinat prin relaia (2.9), avnd n spatele ei o t.e.m. CUn . Sistemul electroenergetic se consider n acelai fel att la calculul curentului de scurtcircuit ct i la calculele curentului de scurtcircuit stabilizat.

2.6. METODOLOGIE PRIVIND CALCULUL CURENILOR DE SCURTCIRCUIT

2.6.1. GENERALITI

Calculul curenilor de scurtcircuit este necesar pentru: a) dimensionarea instalaiilor energetice noi i verificarea celor existente n condiiile

dezvoltrii sistemului energetic; b) stabilirea reglajelor proteciei prin relee din instalaiile electrice; c) determinarea influenei liniilor electrice de nalt tensiune asupra liniilor de telecomunicaii Curenii de scurtcircuit au, n general, valori mult mai mari dect curenii nominali ai

circuitelor i se manifest prin efecte termice, dinamice i de inducie prin cuplaj; a ignora aceste efecte nseamn a pune n pericol stabilitatea echipamentelor i instalaiilor, a neglija securitatea personalului de exploatare.

99

Pentru a putea evalua aceste efecte ale curenilor de scurtcircuit este necesar de a cunoate ce sunt curenii de scurtcircuit, metodologia de calcul.

2.6.2. CURENII DE SCURTCIRCUIT

Scurtcircuitul reprezint legtura galvanic, voit sau ntmpltoare, ntre dou puncte ale unei instalaii electrice cu poteniale diferite n regimul anterior. Curentul de scurtcircuit este curentul care trece prin locul de defect n timpul scurtcircuitului. Dup cum rezult din fig.2.6.

Curentul de scurtcircuit variaz diferit n timp, funcie de deprtarea electric a sursei (generatorul) fa de locul de defect.

n general se remarc faptul c iniial curentul de scurtcircuit este asimetric fa de axa de timp i poate fi descompus ntr-o component periodic (simetric) i o component aperiodic sau de curent continuu [1,2].

a) Scurtcircuit apropiat de generator

b) Scurt circuit deprtat de generator

Fig. 2.6. Variaia n timp a curentului de scurtcircuit.

Componenta periodic are o frecven egal cu cea de exploatare i scade de la o valoare iniial Ik pn la o valoare permanent Ik n cazul unui scurtcircuit apropiat de generator i este aproximativ constant pe durata scurtcircuitului (Ik = Ik), n cazul unui scurtcircuit deprtat de generator. Componenta aperiodic - Io - este componenta curentului de frecven nul (de curent continuu), determinat de variaia fluxului statorului.

Valoarea iniial a componentei periodice Ik - este valoarea sa efectiv n momentul producerii scurtcircuitului. Pentru dimensionarea i verificarea instalaiilor electrice la solicitrile de scurtcircuit

este necesar calculul curenilor de scurtcircuit trifazat sau monofazat cu ajutorul urmtoarelor formule:

d

Nk Z

UCI

=

3"

3 (2.10)

ZZZZUCIhid

Nk 3

3"

1 +++

= (2.11)

n care: C este factor care ine seama de diferena ntre tensiunea aplicat la locul de defect (n momentul anterior defectului) i tensiunea nominal (UN),

100

C = 1,1 pentru tensiunile de 6 - 220 kV, C = 1,0 pentru tensiunea de 400 kV. Zd, Zi, Zh - sunt impedanele echivalente direct, invers i homopolar la locul de

defect, exprimate n ohmi; Z - este impedana arcului electric (se consider numai n anumite cazuri, cum ar fi

calculele de influen sau la verificarea stabilitii termice a LEA). Dac n locul impedanelor se iau reactanele i cum n general, avem Xd = Xi. Z = 0,

funcie de raportul Xh/Xd, n calcule se va considera: Ik = Ik3, cnd Xh/Xd > 1 (Ik3 > Ik1) - (cazul general) Ik = Ik1 cnd Xh/Xd < 1 (Ik3 < Ik1)

Curentul de oc i - este cea mai mare valoare instantanee a curentului dup producerea scurtcircuitului. Aceast valoare depinde de valoarea i faza tensiunii electromotoare n momentul producerii scurtcircuitului.

Curentul de oc, de care se ine seama la verificarea stabilitii dinamice a aparatelor electrice i a cilor de curent, se determin cu formula:

"

"

2

2

k

k

Ii

Ii

=

= (2.12)

n care: - este coeficientul de oc sau factorul de amortizare a componentei de curent

continuu (se determin conform fig.2.7, funcie de raportul R/X al impedanei echivalente de la surs la locul de scurtcircuit; de regul, raportul R/X= 0,1 , rezultnd pentru valoarea de 1,8).

Fig. 2.7. Determinarea coeficientului de oc Valoarea permanent - Ik - a curentului de scurtcircuit este valoarea sa efectiv, care

se stabilete dup trecerea regimului tranzitoriu. Aceast valoare depinde de reactanele mainilor generatoare i ale reelei, precum i de caracteristicile sistemului de reglaj al excitaiei generatoarelor.

n cazul scurtcircuitului trifazat, curentul permanent se determin cu formula: Nk II = (2. 13)

n care: - este un factor care ine seama de plafonul excitaiei generatorului i are valorile indicate n fig. 2.8 (pentru turbogeneratoare TG) i fig. 2.9. (pentru hidrogeneratoarele HG cu poli apareni).

max - corespunde plafonului maxim de excitaie considerat de 13 u.r. pentru TG i de 1,6u.r. pentru HG;

101

min - corespunde mersului n gol (lipsete tensiunea de excitaie) - ( se folosete n cazuri speciale Calcule de reglaje protecii)

Xd - reactana sincron a mainii.

Fig.2.8. Factorul minmax , la TG Fig.2.9. Factorul minmax , la HG.

n cazul surselor puternice, ndeprtate de locul de defect (sistemul din punctul de racord):

Ik = Ik (2. 14) n afara curenilor de scurtcircuit de mai sus, pentru dimensionarea i verificarea

instalaiilor energetice este necesar i calculul urmtoarelor valori: Curentul de declanare - Ia - care este valoarea efectiv a componentelor periodice a

curentului de scurtcircuit care trece prin ntreruptor n momentul primei separrii a contactelor. n cazul scurtcircuitului trifazat, curentul de declanare se calculeaz cu formulele:

- pentru curentul de declanare furnizat de generatoare, motor i compensatoare sincrone:

"

ka II = (2. 15) - pentru curentul de declanare furnizat de motoare asincrone:

"

ka qII = (2. 16) - pentru curentul de declanare furnizat de surse puternice ndeprtate de locul de

defect (sistemul): "

ka II = (2. 17) n formulele de mai sus, i q sunt definii astfel: - este un factor de atenuare a componentei periodice a curentului de scurtcircuit

innd seama de timpul de declanare tm (fig. 2.10); q - este un factor ce ine seama de stingerea rapid a curentului debitat de motoare ca

urmare a lipsei cmpului propriu de excitaie (fig.2.11). Timpul de declanare se va considera, de regul - 0,1 s. Curentul mediu echivalent - Im - al scurtcircuitului care are acelai efect termic n timp

de 1s, ca i curentul de scurtcircuit real pe durata cuprins ntre apariia scurtcircuitului i pn la ntreruperea curentului (timpul de declanare total).

102

Fig.2.10. Factorul Fig.2.11. Factorul q Pn - puterea motorului p - nr. de perechi de poli

Curentul mediu echivalent de care se ine seama la verificarea stabilitii termice a aparatelor electrice i a cilor de curent, se determin cu formula:

( ) tnmII km += ' (2.18) n care:

m - este un coeficient care ine seama de aportul componentei aperiodice a curentului de scurtcircuit (fig. 2.12),

n - este un coeficient care ine seama de variaia n timp a valorii eficace a componentei periodice (fig. 2.13),

t - timpul de declanare total corespunztor proteciei de baz, dar nu mai mic de 1 s pentru cile de curent din centrale i staii (exclusiv linii).

n cazurile n care, dup declanarea ntreruptorului la defect, urmeaz una sau mai multe anclanri succesive, curentul mediu echivalent total este dat de relaia:

222...

21 ni mmmmIIII +++= (2.19)

n care: nmmm

III ,...,,21

- sunt curenii medii echivaleni pentru intervalele de timp n care ntreruptorul este strbtut de curentul de defect.

Fig. 2.12. Coeficientul m Fig 2.13. Coeficientul n

Curentul prin pmnt - Ip, - de care se ine seama la dimensionarea prizelor de pmnt i la verificarea influenelor prin cuplaj i care este:

- un curent de scurtcircuit, n cazul reelelor cu neutrul legat direct la pmnt; - un curent capacitiv sau de dubl punere la pmnt, n cazul reelelor cu neutrul izolat

sau tratat cu bobin de stingere. n cazul reelelor cu neutrul legat direct la pmnt, curentul prin pmnt se determin

cu formulele: - n cazul scurtcircuitului bifazat, cu pmntul:

103

( )

+++

==

i

dhd

Nkp

ZZ

ZZZ

UCII

p

13

3"

2 (2.20)

- n cazul scurtcircuitului monofazat:

ZZZZUC

IIhid

Nkp 3

3"

1 +++

== (2.21) Dac n locul impedanei se iau reactanele i cum, n cazul general, Xd = Xi, z=0,

funcie de raportul Xh / Xd - n calcule se va considera: "

2 pkpII = cnd 1 i

"

1kp II = cnd 1>d

h

XX

( )""12 kk II p >

n tabelul 2.3. se indic recapitulativ formulele pentru calculul principalelor valori ale curenilor de scurtcircuit Ik, Ia, Ik i i pentru scurtcircuite simetrice i nesimetrice, impedanele fiind exprimate n ohmi i respectiv n u.r. (vezi capitolul 2.6.4.)

Tabelul 2.3. Formule pentru calculul curenilor de scurtcircuit

Curentul (puterea) de scurtcircuit Tipul scurt-

circuitului

Schema Ik" "3" kINUkS =

Ia

aINUaS = 3

Ik

kINUkS = 3

i

dZ

NUckI

=

3"

3

Trifazat cu sau fr

punere la pmnt

RST

dZbU

bSckI

=

3"

3

Ia3= Ik3"

Ik3= IN

"

323 k

Ii =

iZdZNUc

kI+

="

2

Bifazat fr

pmnt

RST

iZdZU

SckI

b

b

+

=

"

2

Ia2= Ik2"

NIkI = 32

"

222 k

Ii =

hZiZhZiZ

dZ

NUcpkI

+

+

="

2

Bifazat cu pmnt

RS

Z

T

hZiZhZiZ

dZU

ScpkI

b

b

+

+

="

2

Nu sunt concludente

hZiZdZNUc

kI++

=

3"

1

Monofazat

RS

Z

T

hZiZdZU

SckI

b

b

++

=

3"

1

Ia1 Ik1"

Ik1= 3 IN

"

121 k

Ii =

Ub = Un (tensiunea nominal la care se calculeaz scurtcircuitul)

2.6.3. METODE DE CALCUL

Pentru calculul curenilor de scurtcircuit, n funcie de scopul acestora, se utilizeaz fie metoda complet de calcul, fie cea simplificat.

104

Metoda complet de calcul se utilizeaz la verificarea instalaiilor la care puterea de scurtcircuit rezultat prin metoda simplificat este apropiat de puterea pentru care au fost dimensionate instalaiile respective, precum i pentru unele cazuri particulare de reglaj sau alegerea tipurilor de protecie pentru instalaiile noi.

n calculele de scurtcircuit cu metoda complet se iau n consideraie urmtoarele: - tensiunile n toate nodurile reelei n regimul anterior apariiei scurtcircuitului, - liniile aeriene i cablurile electrice se reprezint prin rezistena, reactana inductiv i

cea capacitiv; - transformatoarele i autotransformatoarele se reprezint prin reactanele lor calculate

innd seama de plotul de funcionare anterior scurtcircuitului; - generatoarele se reprezint ca injectoare de curent n noduri (n regimul anterior

scurtcircuitului) i prin reactana supratranzitorie; - consumatorii se reprezint ca impedane. Metoda simplificat de calcul se utilizeaz la dimensionarea instalaiilor electrice, la

calculele curente de reglaj al proteciei, precum i la determinarea influenei liniilor electrice de nalt tensiune asupra liniilor de telecomunicaii.

n calculele de scurtcircuit cu metoda simplificat se fac urmtoarele ipoteze: -se consider aceeai tensiune U n toate nodurile reelei; -liniile aeriene i cablurile de nalt tensiune (UN 110 kV) se reprezint numai prin reactana inductiv (la medie tensiune se ine seama i de rezisten);

-transformatoarele i autotransformatoarele se reprezint numai prin reactana lor considernd funcionarea pe plotul mediu; -sarcinile se neglijeaz, cu excepia compensatoarelor i a motoarelor sincrone i asincrone (motoarele asincrone contribuie la curenii Ik, i i Ia n cazul scurtcircuitelor la borne i n anumite situaii i la curenii de oc i - n cazul scurtcircuitelor pe partea de nalt tensiune a transformatoarelor prin care se alimenteaz motoarele respective).

2.6.4. ELEMENTE I SCHEME DE CALCUL

Pentru calculul curenilor de scurtcircuit se ntocmete o schem de calcul care cuprinde toate sursele care contribuie la alimentarea scurtcircuitului (generatoare, motoare) i toate celelalte elemente ale reelei (linii, transformatoare, bobine de reactan).

Centralele deprtate de locul scurtcircuitului se vor introduce n schema de calcul ca un bloc generator - transformator, considerndu-se puterea acestui bloc egal cu puterea ntregii centrale.

Sursele foarte mari (de exemplu sistemul) vor fi introduse in schem ca surse de putere infinit, adic se poate considera c tensiunile n punctele lor de legtur cu schema rmn constante n cursul ntregului proces de scurtcircuit.

Motoarele i compensatoarele sincrone se comport la scurtcircuit identic cu generatoarele sincrone.

Motoarele asincrone - aa cum s-a artat - contribuie la scurtcircuitul la borne la curenii Ik, i i Ia.

Elementele reelei se introduc n schema de calcul prin impedana Z sau prin reactana X, exprimate n uniti absolute () sau n uniti relative.

Prin valoare relativ a unei mrimi fizice se nelege raportul acesteia fa de o alt mrime fizic de aceeai natur, aleas ca unitate de baz. n calculele ce se efectueaz se alege o putere de baz Sb i o tensiune de baz Ub.

Rezult:

b

bb U

SI

3= (2.22)

105

i

b

b

b

bb S

UI

UZ

2

3== (2.23)

Impedanele se exprim n uniti relative n funcie de condiiile de baz alese, astfel:

( )( ) ( )

2..b

b

bru U

SZZ

ZZ == (2.24) - Sb se alege de obicei egal cu 100 MVA, 1000 MVA; - Ub se consider de obicei valoarea tensiunii reelei n care are loc scurtcircuitul. n cazul schemelor care conin mai multe trepte de tensiune, legate ntre ele prin

transformatoare, este necesar ca: - n cazul n care impedanele sunt exprimate n valori absolute () ele trebuie s fie

raportate la aceeai treapt de tensiune (de obicei, cea n care are loc scurtcircuitul); - n cazul n care impedanele (reactanele) sunt exprimate n uniti relative, ele se

raporteaz la o aceeai putere de baz i aceeai tensiune de baz, astfel c valorile rmn aceleai indiferent de treapta de tensiune la care se calculeaz scurtcircuitul (aceasta reprezint un avantaj important care a condus la extinderea i chiar generalizarea calculului n uniti relative).

Tabelul 2.4. Relaiile de calcul ale impedanei

Impedana (reactana) OBSERVAII Elementul [] [u.r.] (Sb=100MVA) UN - tensiunea nominal a

elementului de reea [kV] 1 2 3 4

Generator (compensator, motor sincron) N

Nd

SUX 2

100'

N

d

SX '

X"d - reactana supratranzitorie, [%] SN - puterea nominal, [MVA]

Motoare asincrone

N

N

p

N

IU

II

3

Np

N

SII 100

IN - curentul nominal, [A] Ip - curentul de pornire, [A] SN - puterea nominal, [MVA]

Transforma-toare

N

NK

SUu

100

N

K

Su

uK - tensiunea de scurtcircuit, [%] SN - puterea nominal, [MVA]

Linii electrice x0l' sau (r0+jx0)l 2

0 100NU

lx

x0 - reactana liniar, [/km] l - lungimea liniei, [km]

Bobine de reactan

N

N

IU

3100

S

- cderea de tensiunea nominal, [%] IN - curentul nominal, [A] S - puterea de trecere, [MVA] ( )3103 = NN IUS

Reeaua de alimentare (n

punctul K) KN

SU

"

2

K

b

SSC

"

C - coeficient egal cu: 1,1 pentru reelele de 6...220kV 1 pentru reelele de 400kV S"K - puterea de scurtcircuit debitat n reea n punctul K, [MVA]

Sarcina ( )jQPS

UjQP

U NN +

2

22

( )jQPSS

US

jQPU N

+=

=

10

10

1

P, Q, S - puterea activ, reactan i aparent a sarcinii, [MVA]

106

n tabelul 2.4. se dau relaiile de calcul ale impedanei (reactanei) directe a elementelor unei reele.

Schema echivalent pentru calculul curenilor de scurtcircuit se ntocmete pentru o singur faz, att n calculul scurtcircuitelor simetrice ct i n cazul scurtcircuitelor nesimetrice, intercalnd o surs echivalent ntre punctul comun al surselor i punctul considerat de scurtcircuit.

Pentru scurtcircuitele simetrice este necesar numai schema de succesiune direct; pentru scurtcircuite nesimetrice se ntocmesc scheme echivalente separate pentru succesiunile direct, invers i - dup caz - i cea homopolar, care se conecteaz ntre ele funcie de tipul scurtcircuitului (pentru cazul scurtcircuitului monofazat cele trei scheme se conecteaz n serie - se va vedea exemplul de calcul).

Dac calculul se face la o tensiune (U2) diferit de cea a liniei (U1), impedana x2 n valori absolute raportat la tensiunea U2 va fi:

2

1

212

=

UU

xx , n care lxx = 01

n calculele de scurtcircuit reactana direct se consider egal, de regul, cu cea invers pentru toate elementele de reea.

Reactanele homopolare ale (auto)transformatoarelor sunt determinate de construcia lor (trifazate cu 3 sau 5 coloane, monofazate), de schema de conexiuni a nfurrilor i de modul de tratare a neutrului.

Impedanele homopolare ale liniilor electrice aeriene i ale cablurilor sunt determinate de tipul constructiv, de dispoziia conductoarelor pe stlpi i respectiv a fazelor cablurilor n an, de caracteristicile conductorului de protecie, a mantalelor cablurilor, precum i ale solului.

n anexa 2.1. sunt indicate informativ valorile uzuale ale impedanelor (reactanelor) de secven direct, invers i homopolar a principalelor elemente de reea.

n anexa 2.2. sunt indicate schemele i relaiile pentru determinarea reactanelor directe ale (auto)transformatoarelor cu trei nfurri i pentru bobine de reactan jumelate.

2.6.5.CALCULUL IMPEDANELOR ECHIVALENTE. REGULI

Schema de calcul, cuprinznd sursele i impedanele intercalate ntre aceste surse i locul considerat de scurtcircuit, trebuie reduse prin transfigurri succesive la o surs echivalent i o impedan echivalent sau la mai multe surse care alimenteaz locul de scurtcircuit prin ci de curent (impedane) separate sau printr-o cale de curent (impedan) comun.

Pentru calculul valorii iniiale a curentului de scurtcircuit Ik i uneori i a curentului de oc i (cnd raportul R/X = ct. pe toate ramurile prin care se alimenteaz scurtcircuitul), toate sursele pot fi legate n paralel. n schimb, pentru celelalte valori ale curentului de scurtcircuit (exemplu: Ia, Ik, Im) trebuie calculat separat aportul fiecrei surse, ceea ce conduce la necesitatea reducerii schemei de calcul la un numr de ramuri egal, de regul, cu numrul de surse.

Transfigurrile uzuale sunt cele de nlocuire a impedanelor legate n serie i respectiv n paralel printr-o impedan echivalent (n cazul a dou circuite legate n paralel, care cuprind fiecare din impedanele legate n serie, se execut nti transfigurarea serie i apoi cea paralel) i transfigurarea triunghi-stea i invers.

n continuare se indic cteva cazuri uzuale de transfigurare a schemelor de calcul a impedanelor echivalente i a curentului (puterii) de scurtcircuit trifazat iniial.

107

A. Cazul scurtcircuitului alimentat dintr-o singur surs.

Fig. 2.14. Scurtcircuit alimentat dintr-o singur surs

Impedana echivalent: Ze = ZG + ZT + ZL =R + jX (2.25) Factorul de oc se calculeaz conform fig.2.7., funcie de raportul R/X, iar puterea de

scurtcircuit trifazat iniial cu formula:

e

a

bk ZZ

ScS ," = fiind exprimat n u.r. (2.26) B. Cazul scurtcircuitului alimentat din mai multe surse prin ci de curent separate

Fig. 2.15. Scurtcircuit alimentat din mai multe surse Impedanele echivalente: ZI =ZG1 + ZT1 + ZLI (2.27) ZII = ZG2 + ZT2 + ZL2 (2.28) Curenii (puterile) de scurtcircuit se calculeaz separat prin cele dou ramuri.

IN

b

I

bk ZU

cSZcII

I 3"

== (2.29)

IIN

b

I

bk ZU

cSZcI

III 3

"== (2.30)

I

bk Z

cSSI

="

(2.31)

II

bk Z

cSSII

="

(2.32)

Curentul (puterea) de scurtcircuit total al mai multor ramuri va fi: Ik = Ikl + IkII + IkII + ... (2.33)

Sk = SkI + SkII + SkIII + ... (2.34) De asemenea:

i = iI + iII + iIII + ... (2.35)

108

C. Cazul scurtcircuitului alimentat de la mai multe surse printr-o cale de curent comun

Fig. 2.16. Scurtcircuitului alimentat de la mai multe surse printr-o cale de curent comun

ZI = ZG1 + ZT1 + ZL1 = RI +jXI (2.36) ZII = ZG2 + ZT2 + ZL2 = RII +jXII (2.37) Se pun n paralel impedanele I i II de pe cele dou ramuri:

...

111++=

IIIe ZZX (2.38)

Ze = Re +j Xe (2.39) Puterea total de scurtcircuit va fi:

ce

bk ZZ

cSS+

="

(2.40) Aportul fiecrei surse la scurtcircuit se determin cu formula:

""

1 kI

ek SZ

ZS = (2.41)

""

2 kII

ek SZ

ZS = (2.42)

n cazul n care raportul R1 / X1 RII / XII Re / Xc, factorul de oc se calculeaz conform fig. 2.7.

D. Cazul scurtcircuitului n reele buclate.

a) Schema de conectare a impedanei; b) Schema impedanelor dup transformarea - Y a impedanelor

321,, LLL ZZZ

109

c) Dup transfigurare, schema se rezolv n continuare ca n cazul C de mai sus. Fig. 2.17. scurtcircuitului n reele buclate

Relaii pentru transfigurarea - Y:

Fig. 2.18. Transfigurarea - Y

312312

31121 ZZZ

ZZZ

++

= (2.43)

312312

23122 ZZZ

ZZZ

++

= (2.44)

312312

31233 ZZZ

ZZZ

++

= (2.45)

3

212112 Z

ZZZZZ ++= (2.46)

1

323223 Z

ZZZZZ ++= (2.47)

2

131331 Z

ZZZZZ ++= (2.48)

2.6.6. CONCLUZII PRIVIND METODA VDE DE CALCUL A CURENILOR DE SCURTCIRCUIT

1. Valoarea supratranzitorie este superioar valorii stabilite a curentului de scurtcircuit "

. kcsc II (n metoda care folosete curbele de decrement este posibil ca sccK II > pentru Xcalcul =0,55 3).

2. Metoda se remarc prin simplitate. 3. Se ine cont de valoarea real a caracteristicilor generatoarelor prin reactana

sincron Xd i plafonul de supraexcitare (1,3 + 20% pentru TG i 1,6 20% pentru HG).

4. Permit calcularea cu acuratee a aportului motoarelor la scurtcircuit prin valoarea: "

ka IqI = 5. Calculul valorii echivalente din punct de vedere termic a curentului de scurtcircuit la

1s se de