20.04.23

3. ALIMENTAREA CU ENERGIE ELECTRICĂ A UTILAJELOR ŞI RECEPTOARELOR INDUSTRIALE

3.1. Locul instalaţiilor industriale în sistemul electroenergetic

Instalaţiile din aval de punctul de delimitare între furnizor şi consumator (§ 1.2.1), în cadrul sistemului electroenergetic (SEE) sunt denumite instalaţii de utilizare (a energiei electrice) sau instalaţii (electrice) la consumator.

Figura 3.1.1 evidenţiază fluxul de energie electrică de la centrele de producere (centralele electrice) la ultimul receptor R sau utilaj U, cu variantele posibile de reţea (reprezentate între acolade { }).

3.2. Componentele sistemului de alimentare

Sistemul de alimentare cu energie electrică a utilajelor şi receptoarelor unui consumator cuprinde, în principal (conform fig. 1.2.1), sistemul extern şi sistemul intern.

a. Sistemul extern este reprezentat de reţeaua zonală a SEE, printr-un nod al reţelei (reţele de IT, MT sau JT, în funcţie de puterea cerută de consumator). Aparţine furnizorului.

b. Staţia de primire (sau staţiile de primire, în cazul marilor consumatori) este materializată (în funcţie de puterea solicitată de consumator) prin: staţii de transformare, staţii de conexiuni (fără transformatoare) sau tablouri de distribuţie. Poate (pot) aparţine fie furnizorului, fie consumatorului (conform contractului încheiat).

c. Sistemul intern, aparţinând consumatorului, cuprinde:- reţele de distribuţie interne (în JT, MT şi/sau IT, în funcţie de consumator) cu puncte

de distribuţie, prin care energia electrică este dirijată în diferite direcţii şi spre diferite elemente alimentate: staţii de transformare, staţii de conexiuni, tablouri de distribuţie, bare de distribuţie;

- surse proprii ale consumatorului:- surse permanente, care acoperă o parte din consumul de energie electrică al

consumatorului (de exemplu, o centrală electrică de platformă, conectată la SEE);- surse de intervenţie, care permit alimentarea provizorie a unui grup restrâns

de receptoare importante (vitale), în cazul întreruperii alimentării din sistemul extern: baterii de acumulatoare, generatoare sincrone mici acţionate de motoare cu ardere internă.

Totalitatea elementelor de reţea (linii, aparate, etc.) care se interpun între sursă şi un element alimentat constituie ceea ce se numeşte o cale de alimentare.

3.3. Siguranţa funcţionării (disponibilitatea) reţelei de alimentare

Una din cerinţele principale pe care trebuie să le satisfacă o reţea este asigurarea, pe cât posibil, a continuităţii alimentării receptoarelor, astfel încât indisponibilitatea accidentală a reţelei să afecteze cât mai puţin (din punct de vedere tehnic, al consecinţelor economice şi al protecţiei) funcţionarea acestora.

3.3.1. Categorii de receptoare

În raport cu condiţiile privind continuitatea alimentării, receptoarele unui consumator se pot grupa în patru categorii, consecinţele întreruperii alimentării cu energie electrică, pentru fiecare categorie constând în:

3.1

20.04.23

3.2

PA - punct de alimentare (statie de conexiuni)ST - statie de transformarePT - post de transformareTD - tablou de distributieBD - bare de distributieU - utilajR - receptor individualLEA/LES - linie electrica aeriana / subterana

RECEPTOARE

G

G

R

U

U

ST LEA NOD

ST

20 kV

10 kV

LEALES

6 kV10 kV

110 kV 220 kV 400 kV

LES ST

PA

PT

0.4 kV

TG TD/BD

TD/BD

SISTEM ELECTOENERGETIC FURNIZOR CONSUMATOR

Instalatie deproducere

Instalatie detransport

Instalatie dedistributie

Statiade

primire

Instalatie deutilizare (la

consumator)

Punct de delimitare

CENTRALEELECTRICE

RETELE ELECTRICE(Linii, statii, puncte de distributie)

DE TRANSPORT DE DISTRIBUTIE DE UTILIZARE

Linii deinterconexiune

Linii de transpor t

CENTRE DEPRODUCERE TERITORIU ZONE DE CONSUM UTILIZATORI

4

1

2

3

5

Schema electrica bloc cu variante de retele

1

2

3

4

5

Schema explicativa bloc

Componente (fizice) ale sistemului electroenergetic

Impartirea SEE d.p.d.v. al apartenentei instalatiilor

Dispunerea topografica a instalatiilor (harta)

Fig. 3.1.1

20.04.23

- Categoria 0 (receptoare "vitale") – declanşarea de incendii sau explozii, distrugerea utilajelor, pericol pentru viaţa oamenilor;

- Categoria I – pagube economice importante, rebuturi, imposibilitatea de recuperare a producţiei nerealizate;

- Categoria II – nerealizări de producţie recuperabile;- Categoria III – consecinţe nesemnificative.Pentru fiecare categorie, se precizează, pe de o parte, durata maximă a timpului de

întrerupere a alimentării şi, pe de altă parte, modalităţile de asigurare a unei rezerve de alimentare.

3.3.2. Rezervarea în alimentare

În vederea creşterii siguranţei în funcţionarea instalaţiilor consumatorului, se poate prevedea o rezervă de alimentare, ţinând cont de eventualitatea defectării unor elemente ale sistemului de alimentare.

Rezervarea poate fi :- totală, constând în dublarea ansamblului căii de alimentare;- parţială, realizată prin dublarea numai a elementelor de reţea cu probabilitatea de

defectare cea mai mare.Rezerva poate consta în:- surse:

- sursa de bază – SEE printr-un nod al sistemului;- sursa de rezervă:

- SEE prin alt nod;- surse de intervenţie;

- linii (cu alimentare fie din aceeaşi sursă, fie din surse diferite):- linia de bază;- linia de rezervă;

- transformatoare:- transformator de bază;- transformator de rezervă, dimensionat la sarcină integrală sau parţială,

conectat la reţea fie permanent (rezervă "caldă"), fie numai în caz de avarie a transformatorului de bază (rezervă "rece");

- sisteme de bare de distribuţie;- buclarea reţelelor (alimentarea de la ambele extremităţi).În caz de defect, rezerva poate fi conectată fie manual, fie automat, folosind o schemă

de anclanşare automată a rezervei (AAR).

3.3.3. Realizarea siguranţei în alimentarea receptoarelor

Pentru realizarea siguranţei în alimentarea receptoarelor, în funcţie de categoria în care se încadrează acestea, sunt posibile următoarele soluţii:

- Categoria 0:- două căi de alimentare independente, racordate în puncte distincte ale SEE;- surse de intervenţie;- anclanşarea automată a rezervei;- circuite distincte faţă de alte receptoare.

- Categoria I:- două căi de alimentare racordate în puncte distincte din sistemul intern (bare

distincte din staţii de transformare, posturi de transformare, staţii de conexiuni), cu anclanşarea automată a rezervei;

- circuite distincte faţă de alte receptoare.

3.3

20.04.23

- Categoria II: 1 – 2 căi de alimentare din sistemul intern, în urma unui studiu tehnico- economic.

- Categoria III: o singură cale de alimentare.

3.4. Reţele electrice de distribuţie la consumator

Structura şi componenţa reţelelor electrice este determinată de realizarea obiectivelor menţionate în § 2.10.1.

Schemele principiale de distribuţie ţin seama, de asemenea, de:- felul curentului şi nivelul de tensiune necesar;- schemele conductoarelor active;- schemele de legare la pământ.

3.4.1. Felul curentului şi nivelul de tensiune necesar

Majoritatea reţelelor electrice de distribuţie la consumator sunt reţele de curent alternativ de joasă tensiune la frecvenţa de 50 Hz, corespunzând cerinţelor de alimentare pentru cea mai mare parte din receptoarele instalaţiilor.

Reţelele de înaltă tensiune şi de medie tensiune sunt folosite la marii consumatori, în principal pentru alimentarea unor puncte de distribuţie sau posturi de transformare situate în diverse sectoare pe teritoriul consumatorului. Eventualele receptoare de medie tensiune sunt alimentate direct din staţiile de conexiuni sau din barele de medie tensiune ale posturilor de transformare apropiate.

Alimentarea receptoarelor de medie frecvenţă, de curent continuu sau de curent alternativ la tensiuni foarte joase (reduse) se face tot din reţeaua de joasă tensiune, la frecvenţa industrială folosind respectiv convertizoare/convertoare locale, redresoare locale sau transformatoare coborâtoare locale.

3.4.2. Schemele conductoarelor active

Cele mai utilizate scheme ale conductoarelor active în curent alternativ (§ 2.8) sunt:- monofazat cu două conductoare (L, N);- monofazat cu trei conductoare (L, N, PE);- trifazat cu trei conductoare (L1, L2, L3);- trifazat cu patru conductoare (L1, L2, L3, PE sau L1, L2, L3, PEN).

3.4.3. Izolaţia conductoarelor active faţă de masă

Pentru a se asigura protecţia personalului şi continuitatea în exploatare, conductoarele şi piesele sub tensiune ale unei instalaţii electrice sunt "izolate" faţă de masele metalice, prin:

- utilizarea de materiale izolante;- distanţe de izolare în aer şi linii de fugă corespunzătoare.Defectele de izolaţie se pot produce:- în timpul instalării : deteriorarea mecanică a izolaţiei unui conductor sau cablu;- în exploatare, cauzate de:

- depunerile de pulberi conductive;- îmbătrânirea termică a izolaţiei, datorită mediului ambiant, numărului prea

mare de conductoare într-o conductă, unui dulap prost ventilat, curenţilor armonici, supracurenţilor;

- forţele electrodinamice dezvoltate în cazul unui scurtcircuit, care pot deteriora un cablu sau pot diminua o distanţă de izolare;

- supratensiunile de manevră sau atmosferice;

3.4

20.04.23

- supratensiunile de frecvenţă industrială rezultate în urma unui defect de izolare pe partea de medie tensiune.

Defectele de izolaţie pot fi:- de mod diferenţial (între conductoare active, degenerând în scurtcircuit);- de mod comun (între conductoare active şi masă), în care caz apare un curent de

circulaţie prin conductoarele de protecţie sau prin pământ.În reţele se pot întâlni:- un defect simplu, în care este antrenată numai una din fazele reţelei;- un defect dublu, în care este antrenată şi o altă fază a reţelei înainte ca un defect

simplu să fie eliminat.Un defect de izolaţie prezintă pericol pentru viaţa oamenilor, pentru conservarea

bunurilor materiale şi pentru disponibilitatea energiei electrice.Principalele efecte ale contactului persoanelor cu părţile conductive ale instalaţiei

aflate permanent sau accidental sub tensiune sunt menţionate în paragrafele 1.4 şi 14.1.Incendiile sau exploziile se pot produce fie datorită încălzirii locale importante, fie

datorită arcului electric apărut în urma străpungerii izolaţiei. Se ştie că un contact punctual între un conductor şi o piesă metalică poate provoca un incendiu, în localuri deosebit de sensibile, dacă intensitatea curentului depăşeşte 500 mA. Riscuri importante apar, de exemplu, în întreprinderi petrochimice. Riscuri medii, dar cu consecinţe foarte grave, se manifestă în imobilele cu înălţime mare cu aflux mare de persoane.

Disponibilitatea de energie este afectată întrucât, pentru a elimina un defect, se recurge la deconectarea (de regulă, automată) a sectorului respectiv, ceea ce poate avea consecinţe atât asupra personalului (de exemplu, întreruperea bruscă a iluminatului, scoaterea din funcţiune a unor echipamente şi instalaţii de protecţie), cât şi din punct de vedere economic (pierderi de producţie).

În plus, dacă intensităţile curenţilor de defect sunt mari, pot avea loc deteriorări în instalaţie şi în receptoare (care măresc costurile şi durata reparaţiilor), iar circulaţia de curenţi de mod comun poate perturba echipamentele sensibile (mai ales dacă acestea fac parte dintr-un sistem de curenţi slabi extins teritorial şi cu legături galvanice).

Supratensiunile de manevră la deconectare, precum şi fenomenele de radiaţie electromagnetică pot antrena, de asemenea, disfuncţionalitatea echipamentelor sensibile.

Supratensiunile atmosferice (trăznet) în reţelele aeriene de medie tensiune sunt transmise, prin efect capacitiv între bobinajele transformatorului, conductoarelor active de joasă tensiune, reprezentând o perturbare de mod comun între reţea şi pământ.

Supratensiunile de manevră de mod diferenţial produse de unele aparate de medie tensiune (de exemplu, întreruptoare în vid) sunt transmise reţelei de joasă tensiune prin cuplaj capacitiv şi magnetic, independent de legătura acesteia cu pământul.

Străpungerea izolaţiei între cele două înfăşurări ale transformatorului duce la creşterea potenţialului reţelei de joasă tensiune faţă de pământ la nivelul tensiunii simple din reţeaua de medie tensiune (ceea ce impune măsuri pentru descărcarea la pământ).

Străpungerea izolaţiei primarului transformatorului faţă de masă poate provoca creşterea periculoasă a potenţialului neutrului dacă acesta este legat la aceeaşi priză de pământ cu masa transformatorului (motiv pentru care se recomandă folosirea de prize separate).

3.4.4. Izolaţia reţelei faţă de pământ

Orice reţea electrică este mai mult sau mai puţin bine izolată faţă de masele metalice şi faţă de pământ. Scurgerile de curent la pământ se pot reprezenta introducând impedanţele de izolaţie între fiecare fază şi pământ.

3.5

20.04.23

Impedanţele corespunzătoare conductoarelor reţelei sunt constituite din capacitatea fiecărui conductor faţă de pământ Cp, din rezistenţa de izolaţie a acestora Riz sau din ambele elemente legate în paralel (fig.3.4.1) :

(3.4.1)

Aceste impedanţe sunt în realitate uniform distribuite pe lungimea l a liniei (fig. 3.4.2):

(3.4.2)r0 şi c0 reprezentând rezistenţa respectiv capacitatea pe unitatea de lungime.

În reţelele de joasă tensiune aeriene se poate neglija componenta capacitivă

(considerând numai rezistenţele de izolaţie), în timp ce la reţelele în cablu componenta capacitivă este mult mai importantă decât rezistenţa de izolaţie (c0 0,3 F/km, r0 10 M/km).

În vederea simplificării calculelor, mai ales atunci când se urmăreşte în principal desprinderea unor concluzii de principiu, se pot considera două scheme echivalente:

- schema cu trei impedanţe concentrate Z1, Z2, Z3 (fig. 3.4.3) pentru care pământul creează un neutru artificial (conexiune în stea); în sistemele echilibrate, impedanţele pe cele trei faze sunt egale : Z1= Z2 = Z3 = Ziz fiecare având componentele Cp şi Riz;

- schema cu o singură impedanţă Z' înseriată între neutru şi pământ (fig. 3.4.4), având componentele Cp' = 3Cp şi Riz' = Riz/3

Pentru simplificare, în figurile3.4.3, 3.4.4 şi în următoarele figuri din acest capitol este reprezentat numai secundarul transformatorului de alimentare din reţea.

Limitarea riscurilor de natură electrică, precum şi protecţia personalului şi a bunurilor materiale pot fi realizate în mare măsură prin diverse moduri de legătură cu pământul a neutrului secundarului transformatorului MT/JT şi a maselor echipamentelor electrice alimentate din reţea.

3.6

Fig. 3.4.1

Fig. 3.4.2

20.04.23

3.4.5. Schemele de legare la pământ

Schemele de distribuţie ale instalaţiilor electrice se determină în funcţie de :- tipurile schemelor conductoarelor active (monofazat cu 2 sau 3 conductoare, bifazat

cu 3 conductoare, trifazat cu 3, 4 sau 5 conductoare);- tipurile de scheme de legare la pământ. Schemele de legare la pământ (fig. 3.4.5) sunt notate prin simboluri care semnifică

următoarele:- prima literă - situaţia reţelei de alimentare în raport cu pământul :

- T - legătură directă la pământ;- I - fie izolarea tuturor părţilor active faţă de pământ, fie legarea la pământ a

unui punct printr-o impedanţă.- a doua literă – situaţia maselor instalaţiilor electrice în raport cu pământul:

- T - masele instalaţiei legate direct la pământ, independent de eventuala legare la pământ a unui punct al alimentării;

- N- legătură electrică directă a maselor la punctul de alimentare legat la pământ (în mod normal, punctul neutru);

- alte litere - dispunerea conductorului neutru şi a conductorului de protecţie:- S- funcţia de protecţie este asigurată printr-un conductor separat de cel neutru

sau de un eventual conductor activ legat la pământ ( în curent alternativ );- C – funcţiile de neutru şi de protecţie poate fi combinate intr-un singur

conductor (PEN ).

Schemele TN au un punct legat la pământ , masele instalaţiei fiind legate în acest punct prin conductoare de protecţie. În această schemă, curentul de defect intre fază şi masă este un curent de scurtcircuit monofazat. Se consideră trei tipuri de scheme TN funcţie de dispunerea conductorului neutru şi a conductorului de protecţie şi anume:

- schema TN–C (fig. 3.4.5, a), în care funcţiile de neutru şi de protecţie sunt combinate într-un singur conductor pentru întreaga schemă;

- schema TN-S (fig. 3.4.5, b), în care un conductor de protecţie distinct este utilizat pentru întreaga schemă;

- schema TN-C-S (fig. 3.4.5, c), în care funcţiile de neutru şi de protecţie sunt combinate într-un singur conductor pe o porţiune a schemei.

Schema TT (fig. 3.4.5, d) are un punct de alimentare legat la pământ, masele instalaţiei electrice fiind legate la prize de pământ independente din punct de vedere electric de priza de pământ a alimentării . În această schemă curenţii de defect fază – masă , pentru intensităţi chiar mai mici decât ale unui curent de scurtcircuit, pot fi suficient de mari pentru a provoca apariţia unei tensiuni periculoase .

În schema IT (fig. 3.4.5, e) toate părţile active sunt izolate faţă de pământ sau legate la pământ prin intermediul unei impedanţe, masele instalaţiei electrice fiind legate la pământ. În această schemă, un curent rezultat dintr-un prim defect fază–masă are o intensitate suficient

3.7

Fig. 3.4.3

Fig. 3.4.4

20.04.23

de mică încât nu poate provoca nici o tensiune de atingere periculoasă. Limitarea curentului rezultat în cazul unui singur defect se realizează prin rezistenţele de izolaţie ale reţelei faţă de pământ şi se obţine fie în absenţa legăturii la pământ a alimentării , fie prin intercalarea unei impedanţe între un punct al alimentării (în general neutrul) şi pământ.

3.4.6. Monitorizarea stării de izolaţie a reţelei

Obiectivele controlului şi măsurării izolaţiei urmăresc realizarea următoarelor funcţii:a. în cazul reţelelor cu neutrul izolat:

- controlul izolaţiei, în cazul unui defect simplu;- măsurarea izolaţiei sub tensiune;- localizarea unui defect, cu deconectarea plecărilor;- localizarea unui defect, fără deconectarea plecărilor;- protecţia selectivă a plecărilor, în cazul unui defect dublu.

3.8

20.04.23

b. pentru reţelele cu neutrul legat la pământ:- protecţia generală în cazul unui defect simplu (declanşarea obligatorie);- protecţia selectivă a plecărilor;- localizarea unui defect "în gol" (fără tensiune, cu întreruptorul general

deschis).Aparatele utilizate pot fi:- dispozitive de control;- dispozitive de control şi de măsură;- relee de detecţie şi de comandă;- dispozitive de localizare sub tensiune.Ca exemplu, releele de detecţie şi de comandă, ca şi dispozitivele de localizare sub

tensiune au la bază un senzor (captor) constituit dintr-un transformator cu miez toroidal, care funcţionează pe principiul transformatorului de măsură de curent şi care detectează prezenţa curenţilor de scurgere la pământ. Miezul toroidal (fig. 3.4.6, a) înconjoară ansamblul

conductoarelor active ale reţelei, care formează primarul transformatorului, înfăşurarea secundară fiind bobinată pe tor (fig. 3.4.7; a - tor, b - conductor neutru eventual, c - conductor de protecţie PE). În absenţa unui defect de izolaţie, suma (fazorială) a curenţilor primari este

nulă şi deci curentul secundar va fi nul. Apariţia unui defect de izolaţie în aval de tor se traduce printr-un curent de scurgere la pământ; rezultanta curenţilor primari va fi diferită de zero, ceea ce determină apariţia unei tensiuni mici în secundarul transformatorului, cu o valoare dependentă de curentul de scurgere, care se aplică unui aparat de măsură sau unui releu asociat, acesta reacţionând la depăşirea unui prag prestabilit. Ca şi la transformatoarele de măsură de curent, transformatorul cu miez toroidal destinat unui montaj fix (pe un anumit tronson de reţea) poate fi înlocuit cu un "cleşte ampermetric" (fig. 3.4.7, b) al cărui miez poate fi închis sau deschis cu ajutorul unor mânere, permiţând folosirea ca aparat amovibil care poate fi pus în funcţiune fără

întreruperea tronsonului de reţea supravegheat.Un asemenea dispozitiv de protecţie este cunoscut sub numele de dispozitiv (de

curent) diferenţial rezidual şi este, în general, asociat cu un aparat de comutaţie sau integrat în acesta. Dispozitivele respective se pot utiliza în toate sistemele uzuale de distribuţie (IT, TT şi TN).

Supravegherea permanentă a stării izolaţiei reţelelor de curent alternativ cu neutrul izolat (sistemul IT) necesită aparate specifice, care se bazează pe principiul injecţiei de curent. O sursă de t.e.m. injectează între reţea şi pământ fie o tensiune continuă, fie o tensiune alternativă de frecvenţă redusă (10 Hz). Aceasta determină un curent de scurgere la pământ prin ansamblul rezistenţelor de izolaţie (în curent continuu capacităţile nu intervin, iar la frecvenţă joasă influenţa lor este redusă). Aparatul folosit indică permanent valoarea rezistenţei de izolaţie şi semnalizează (optic şi/sau acustic) atunci când un prag prestabilit a

3.9

a bFig. 3.4.6

Fig. 3.4.7

20.04.23

fost depăşit; la unele aparate este prevăzut şi un al doilea prag a cărui depăşire este urmată de o comandă de deconectare a reţelei.

Pentru a obţine o detectare selectivă sub tensiune a defectelor de izolaţie şi pentru a evita deconectarea întregii reţele, se recurge la senzori (captori) diferenţiali montaţi pe fiecare plecare.

3.4.7. Soluţii uzuale

Soluţia uzuală constă în alimentarea receptoarelor şi utilajelor printr-o reţea de joasă tensiune, în curent alternativ trifazat, cu patru conductoare (trei faze şi neutru), cu neutrul legat la pământ (TN, TT), cu tensiunea nominală 3x380/220 V, la frecvenţa de 50 Hz care satisface simultan necesităţile receptoarelor trifazate, bifazate şi monofazate (inclusiv cele pentru iluminat). Mai recent, o dată cu creşterea tensiunii nominale de linie a receptoarelor la 400 V, se recomandă tensiunea de distribuţie 3x400/230 V.

Transformatoarele MT/JT utilizate pentru realizarea reţelei de distribuţie au, de regulă, conexiunea triunghi-stea cu neutrul accesibil (Dy 11 sau Dyn 11).

Reţelele au, în majoritatea cazurilor, neutrul legat la pământ chiar la transformatorul de alimentare, printr-o priză de pământ separată de priza de pământ a maselor din instalaţie (sistemele TT şi TN, fig. 3.4.5 a,b,c,d), ceea ce permite:

- limitarea tensiunii la care este supus organismul uman la atingerea unei faze;- eliminarea defectelor de punere la pământ a unei faze (fig. 3.4.8), prin crearea unui

circuit de defect, prin pământ, al cărui curent sensibilizează aparatul de protecţie la supracurenţi de pe faza respectivă sau un dispozitiv de protecţie diferenţial;

- limitarea tensiunii la care este supus organismul uman la atingerea unei carcase metalice legate la pământ şi intrate accidental sub tensiune, ca urmare a unui defect în instalaţie;

- protecţia faţă de trecerea accidentală a tensiunii medii pe partea de joasă tensiune.Reţelele cu neutrul izolat faţă de pământ (IT, fig. 3.4.5 e) se folosesc, de exemplu, în

industria petrolieră şi minieră sau în alte instalaţii din medii cu pericol crescut de electrocutare, unde prezintă avantaj faţă de reţelele legate la pământ. Soluţia este însoţită de controlul automat al izolaţiei reţelei faţă de pământ şi presupune alimentarea instalaţiei dintr-un post de transformare propriu al consumatorului. Schema IT se foloseşte, de asemenea, atunci când se pune pe primul plan continuitatea în serviciu a instalaţiei, întrucât un defect simplu nu presupune întreruperea alimentării. În plus, unele normative naţionale impun folosirea unui dispozitiv limitator de tensiune (descărcător) în secundarul transformatorului, ca mijloc de protecţie în cazul străpungerii izolaţiei între cele două înfăşurări ale transformatorului.

3.5. Schemele reţelelor electrice de joasă tensiune

3.10

Fig. 3.4.8

20.04.23

3.5.1. Principii generale

Se consideră o instalaţie electrică destinată să alimenteze, în final, un anumit număr de receptoare (utilaje) de joasă tensiune, amplasate în diferite poziţii în zona aferentă, conform necesităţilor de utilizare.

În schemele în care staţia de primire este alimentată dintr-o singură sursă, energia electrică este transmisă spre receptoare într-un singur sens, printr-o reţea care se ramifică succesiv, pe măsura apropierii de receptoare, la diferite niveluri în structura sistemică a instalaţiei, permiţând dirijarea energiei electrice în diferite direcţii şi la diferite elemente alimentate. Ramificarea se realizează cu ajutorul unor echipamente prefabricate specializate, numite puncte de distribuţie, situate în nodurile corespunzătoare ale reţelei.

Fiecare punct de distribuţie este constituit, ca echipament de putere ("forţă") din:- o sosire, direct de la o sursă secundară sau de la un punct de distribuţie precedent;- mai multe plecări, spre alte puncte de distribuţie sau elemente alimentate;- un sistem de bare alimentate prin sosire şi din care se execută derivaţiile pentru

plecări.Un punct de distribuţie mai poate conţine circuite suplimentare de comandă,

semnalizare, măsură etc. Curentul nominal al sosirii este considerat drept curent nominal al punctului de distribuţie respectiv.

Ca regulă generală, fiecare plecare trebuie să fie prevăzută cu un aparat de protecţie la scurtcircuit (siguranţă fuzibilă sau întreruptor de putere automat), plasat imediat după conexiunea la bare, care să acţioneze la un scurtcircuit care s-ar produce în orice loc pe linia dintre punctul respectiv şi următorul element alimentat. De asemenea, fiecare sosire trebuie prevăzută cu un aparat de comutaţie, care să realizeze cel puţin funcţia de separator, permiţând izolarea faţă de reţeaua din amonte, după deconectarea sarcinii din aval. Excepţiile sunt prevăzute în normative.

3.5.2. Componenţa reţelelor electrice de joasă tensiune

Primul element din reţeaua de joasă tensiune este tabloul de distribuţie general al consumatorului (In 2400 A).

La consumatorii care solicită din reţea puteri mici, alimentarea se face direct din reţeaua zonală de JT (aeriană sau subterană) a furnizorului, printr-un branşament care face legătura între linia de alimentare şi contorul de energie al consumatorului, situat în amonte de tabloul general sau la intrarea în tablou. De regulă, contorul aparţine furnizorului.

Consumatorii de puteri mai mari sunt alimentaţi din reţeaua de medie tensiune a furnizorului, printr-un racord care conţine un post de transformare. Postul de transformare conţine 1-2 transformatoare (10/0,4 kV sau 20/0,4 kV), având înfăşurarea secundară în stea, cu neutrul accesibil (4 borne), precum şi echipamentul de comutaţie şi de protecţie aferent, atât pe partea de MT, cât şi pe partea de JT. Secundarul transformatorului alimentează tabloul de distribuţie general, care poate fi chiar înglobat în postul de transformare.

Celelalte puncte de distribuţie pot fi:- tablouri de distribuţie de tip panou, dulap, din cutii echipate etc., clasificate, după

intensitatea curentului sosirii, în tablouri principale (In 600 A) şi tablouri secundare (In 300 A);

- canale prefabricate de bare (un sistem de 4 bare într-o incintă de protecţie), realizate ca tronsoane care pot fi îmbinate şi prevăzute cu posibilitatea efectuării de derivaţii pentru ramificaţii. În funcţie de intensitatea curentului nominal, canalele pot fi canale magistrale şi canale de distribuţie.

În practică, circuitele electrice care alimentează puncte de distribuţie sunt denumite coloane, termenul de circuit fiind consacrat pentru alimentarea fiecărui receptor sau echipament de la ultimul punct de distribuţie

3.11

20.04.23

Circuitele pot fi:- individuale, pentru fiecare receptor (în sens restrâns);- comune, pentru mai multe receptoare, cu protecţie unică la scurtcircuit:

- circuit de iluminat;- circuit de prize;- circuit de utilaj;- circuit pentru mai multe motoare similare, cu puterea totală până la 15 kW.

3.5.3. Tipuri de scheme

a. Scheme radiale. Fiecare punct de distribuţie, utilaj sau receptor este alimentat printr-o linie separată, care pleacă de la un punct de distribuţie central (fig. 3.5.1).

Aceste scheme prezintă avantajul siguranţei în alimentare; un defect pe o linie provoacă scoaterea de sub tensiune, prin funcţionarea aparatului de protecţie respectiv, numai a liniei afectate, restul instalaţiei rămânând în funcţiune.

Dezavantajele schemelor sunt:

- investiţii mari;- consum ridicat de material conductor;- număr mare de plecări din punctele de distribuţie (creşterea gabaritului).Ca utilizare, se recomandă în cazul:- coloanelor de alimentare a tablourilor de distribuţie sau al unor canale de bare de

distribuţie secundare;- circuitelor, pentru:

- utilaje cu receptoare de puteri mari, alimentate direct din tabloul general sau dintr-un canal magistral;- utilaje cu receptoare de puteri mici şi mijlocii, alimentate din tablouri secundare sau bare de distribuţie;- utilaje şi receptoare dispersate;- utilaje, receptoare şi instalaţii importante, pentru care riscul de întrerupere a alimentării trebuie să fie minim.

b. Scheme cu linii principale sau magistrale. Se prevede câte o plecare într-o anumită direcţie, care trece prin apropierea unor utilaje/receptoare sau grupuri de utilaje/receptoare, care se alimentează apoi, de regulă, în derivaţie (fig. 3.5.2).

3.12

Tablou de distributieBara de distributie

Elementalimentat

Elementalimentat

Elementalimentat

Reprezentare functionala

Tablou de distributieBara de distributie

Elementalimentat

Elementalimentat

Elementalimentat

Reprezentare topografica

Fig. 3.5.1

20.04.23

Avantajele constau în:

- consum redus de material conductor;- derivaţii din mai multe locuri;- număr redus de plecări din punctele de distribuţie.Dezavantajul este siguranţa mai mică în exploatare, deoarece un defect pe linia

principală antrenează întreruperea alimentării tuturor derivaţiilor din linie.Utilizarea acestor scheme se recomandă pentru:- utilaje grupate, la distanţe relativ mici, linii tehnologice;- distribuţia în canale de bare.

c. Scheme mixte:- scheme radiale pentru:

- utilajele/receptoarele dispersate;- echipamentele/receptoarele importante;

- scheme magistrale pentru utilajele grupate.

3.13

Tablou de distributie Rec

epto

rE

chip

amen

tR

ecep

tor

Ech

ipam

ent

Rec

epto

rE

chip

amen

t

Linie magistrala

Can

al d

e di

strib

utie

Aparatde

comutatiesi

protectie

Circuit de prizeCircuit de iluminat

Fig. 3.5.2

20.04.23

Figura 3.5.3 cuprinde principalele variante (reprezentate între acolade) de realizare a alimentării receptoarelor R dintr-o instalaţie electrică.

d. Exemplu de schemă

În fig. 3.5.4 se prezintă schema monofilară, radială, de principiu, simplificată a unei reţele de joasă tensiune la consumator, cu menţionarea elementelor aferente fiecărui circuit şi a identificării lor.

3.6. Impedanţa căii de alimentare în reţelele radiale

3.6.1.Impedanţa transformatorului

Tensiunea U2 la bornele secundare ale unui transformator alimentat la tensiunea constantă U1 variază cu sarcina conectată la aceste borne. Ca sursă de energie pentru reţeaua de joasă tensiune, transformatorul poate fi echivalat cu un transformator ideal, a cărui tensiune secundară se menţine constantă şi o impedanţă (numită impedanţă internă) legată în serie cu fiecare fază a înfăşurării secundare (fig.3.6.1).

Secundarul transformatorului poate fi deci considerat drept o sursă de energie caracterizată prin tensiunea de funcţionare în gol (fără sarcină) U20 şi o impedanţă internă pe fază ZT. Această impedanţă diferă de impedanţa proprie a înfăşurării secundare, ea fiind datorată ambelor înfăşurări (primară şi secundară) cuplate magnetic. Rezistenţa RT şi reactanţa XT depind de construcţia transformatorului (exprimată prin tensiunea de scurtcircuit şi pierderile la scurtcircuit) şi de puterea aparentă a acestuia (cap. 9).

În tabelul 3.6.1 sunt prezentate valori utilizabile în calcule pentru câteva transformatoare în ulei (usc = 4%).

3.14

20.04.23

3.15

ANS.TRANSFORMATOR

TABLOU GENERAL DE DISTRIBUTIE

CANAL DE BAREMAGISTRAL

TABLOU DEDISTRIBUTIE PRINCIPAL

CANAL DE BARE DEDISTRIBUTIE

TABLOU DE DISTRIBUTIESECUNDAR R R

R R R

R

POST DE TRANSFORMARE

Coloana principala

Coloana secundara

Coloana secundara

Distributie cu tablouri dedistributie Distributie in bare

Col

oana

(se

cund

ara)

RETEAJ.T.

R

Fig. 3.5.3

20.04.23

3.16

M3 ~

M3 ~

3x20 kV

- Q1

- Q2

- T1

- Q3

= S1

= TDG

400/230 V3 /N ~ 50 Hz

- F1 - Q6 - F3

- W1

PEN

- Q4

- C1 - M1

- Q7

= TD 1

PENN

- F2

- Q5

- K1

- M2 - A1

PE

PE

- Q8

- F4

PE

PE

PE

- W

15

- W2

Post detransformare

Tabloude distributie

general

Circuite principale(coloane)

Circuite secundare(de utilizare, terminale)

Tablou dedistributiesecundar

Consumatori(receptoare)

Fig. 3.5.4

20.04.23

Tabelul 3.6.1

ST, kVA 100 160 250 315 400 500 630RT, m 37,8 16,2 9,2 6,9 5,1 3,9 2,9XT , m 59,5 41,0 26,7 21,3 16,9 13,6 10,8

3.6.2. Impedanţa liniilor

O linie de joasă tensiune realizată din conductoare dintr-un anumit material, având secţiunea transversală s şi lungimea l, poate fi asimilată unui cuadripol (fig. 3.6.2) caracterizat prin impedanţa Zl, constituită dintr-o rezistenţă Rl şi o reactanţa inductivă Xl (capacitatea dintre conductoare putând fi neglijată)

(3.6.1)

alimentat cu tensiunea U1 şi conectat la impedanţa de sarcină Zs, la bornele căreia tensiunea devine U2 < U1 (datorită căderii de tensiune pe impedanţa Zl).

Rezistenţa R a unui conductor al liniei

(3.6.2)

depinde de:- materialul conductorului, prin intermediul conductivităţii electrice ;- secţiunea transversală a conductorului s;- lungimea conductorului l.

Rezistenţa poate fi exprimată prin relaţia:(3.6.3)

în care

(3.6.4)

reprezintă rezistenţa specifică, pe unitatea de lungime.Ţinând seama de abaterile faţă de secţiunile nominale (în medie cu 2%) şi de

modificarea lungimii prin torsadarea conductoarelor (în medie cu 2 3%), conductivitatea poate fi considerată ca având valorile 53106 -1m-1 (53 m/mm2) pentru cupru şi 32106 -1m-1 (32 m/mm2) la temperatura de 20 °C. Variaţia cu temperatura

(3.6.5)

conduce la valori de 44106 -1m-1 (44 m/mm2), respectiv 27106 -1m-1 (27 m/mm2) la temperatura de 70 oC.

Reactanţa inductivă nu depinde practic de secţiunea şi de materialul conductoarelor, ci numai de dispunerea relativă a acestora, putând fi exprimată prin relaţia:

(3.6.6)

3.17

U 1 Z s

R l X l

U 2

I

Fig. 3.6.2

20.04.23

în care reactanţa specifică (pe unitatea de lungime) poate fi considerată, în joasă tensiune,x0 0,08 0,1 mm-1, pentru cabluri şi conductoarele montate în tuburi de protecţie, respectiv x0 0,25 mm-1, în cazul liniilor aeriene.

3.6.3. Impedanţa barelor de distribuţie şi întreruptoarelor

Rezistenţele pot fi, de regulă, neglijate, iar reactanţele se consideră 0,15 mm-1, respectiv 0,15 m/pol.

3.6.4. Impedanţa reţelei

Impedanţa reţelei, definită pentru o fază, reprezintă suma impedanţelor sursei şi ale tuturor tronsoanelor de reţea care constituie calea de alimentare a receptorului considerat:

(3.6.7)

În cazul unui defect monofazat, trebuie considerat şi aportul conductoarelor N, PE şi PEN.

3.7. Impedanţa receptoarelor pasive

Alimentarea receptoarelor în curent alternativ se realizează, în general, de la o reţea cu tensiunea de linie U (tensiunea între două conductoare de linie) şi tensiunea de fază Uf =U/3 (tensiunea între un conductor de linie şi conductorul/punctul neutru al reţelei), curenţii prin cele trei faze ale reţelei fiind defazaţi cu 120o. Prin curentul unei reţele se înţelege valoarea intensităţii curentului printr-un conductor de linie (curentul corespunzător unei faze a reţelei); nu se poate vorbi de un curent trifazat total!.

Noţiunea de fază are următoarele semnificaţii:- pentru reţea – ansamblul conductor de linie-conductor/punct neutru;- pentru un receptor sau o sursă în curent alternativ monofazat – impedanţa internă a

receptorului/sursei, rezultată din construcţie;- pentru un receptor echilibrat sau o sursă în curent alternativ trifazat – una din cele

trei impedanţe care pot fi conectate în stea sau în triunghi (fig. 3.7.1)); în particular, cele trei faze pot fi constituite din trei înfăşurări distincte (de exemplu, în cazul motoarelor electrice).

A nu se confunda deci o fază a receptorului cu o fază a sistemului trifazat de conductoare al reţelei !.

Mărimile caracteristice receptorului sunt impedanţa unei faze Zf şi intensitatea Ifmax a curentului maxim admisibil pentru o fază (căreia i se aplică tensiunea UZ) – parametru constructiv care rezultă din temperatura maximă admisă.

Dată fiind existenţa sistemului trifazat de tensiuni de alimentare, noţiunea de impedanţă globală a unui receptor trifazat nu are sens !

Din punctul de vedere al reţelei, prezintă interes mărimile la bornele receptorului: tensiunea de alimentare şi curentul de linie I (receptorul este "văzut" la borne!).

În cazul unui receptor monofazat, tensiunea aplicată unei faze este UZ = Uf iar intensitatea curentului IZ = I iar puterea activă solicitată din reţea

(3.7.2)

3.18

20.04.23

În cazul unui receptor trifazat, tensiunea aplicată unei faze UZ şi intensitatea curentului IZ depind de conexiunea celor trei impedanţe. Puterea absorbită de receptor de la reţea va fi, indiferent de conexiune, triplul puterii absorbite de fiecare fază:

(3.7.3)

Din figura 3.7.1, rezultă că, la aceeaşi tensiune de alimentare, intensităţile curentului de linie, respectiv puterile absorbite din reţea, în cazul conexiunilor în stea şi în triunghi , vor fi:

(3.7.4)

găsindu-se în rapoartele

(3.7.5)

Puterea nominală a receptorului trifazat se indică pentru o anumită tensiune de alimentare şi o anumită conexiune a celor trei impedanţe. Alimentarea cu tensiuni diferite a aceluiaşi receptor este posibilă dacă cele trei impedanţe au ambele extremităţi accesibile la borne, unde se realizează conexiunea dorită.

Întrucât trebuie să fie respectată relaţia IZ Ifmax, rezultă că, pentru un motor dat, la aceeaşi putere, tensiunile de linie ale reţelei de alimentare, în cazul celor două conexiuni posibile, trebuie să se găsească în raportul , valoarea mai mică revenind conexiunii în triunghi. De exemplu, un motor trifazat care are înscris pe plăcuţa de identificare 220/380 V nu va putea fi alimentat la conexiunea în triunghi din reţeaua cu tensiunea nominală 3x380/220 V.

Întrucât, într-un sistem trifazat, sursa de alimentare şi linia sunt caracterizate prin impedanţele pe fiecare fază, pentru a aprecia contribuţia receptorului la stabilirea sarcinii electrice a reţelei, în regim normal, acesta trebuie considerat ca având o conexiune stea cu o impedanţă Zuf pe fiecare fază.

Din punct de vedere al puterii absorbite din reţea, un receptor cu impedanţele Zf

conectate în triunghi este echivalent unui receptor cu impedanţele Zf/3 conectate în stea.Impedanţa pe fază Zuf a utilizatorului (receptorului), “văzută “ la borne, pentru un

receptor trifazat, rezultă din valorile indicate pentru puterea nominală Pn şi tensiunea nominală (de linie Un respectiv de fază Ufn):

3.19

Fig. 3.7.1

U

I=

IZ U Z=U

Z fZ f

Z f

U

Z f

Z f

Z f

U Z=U/

IY=I Z

20.04.23

(3.7.6)

3. Alimentarea cu energie electrică a utilajelor şi receptoarelor industriale

3.20

20.04.23

3.1. Locul instalaţiilor industriale în sistemul electroenergetic...............................................3.13.2. Componentele sistemului de alimentare...........................................................................3.13.3. Siguranţa funcţionării (disponibilitatea) reţelei de alimentare..........................................3.1

3.3.1. Categorii de receptoare..............................................................................................3.13.3.2. Rezervarea în alimentare............................................................................................3.33.3.3. Realizarea siguranţei în alimentarea receptoarelor....................................................3.3

3.4. Reţele electrice de distribuţie la consumator....................................................................3.43.4.1. Felul curentului şi nivelul de tensiune necesar..........................................................3.43.4.2. Schemele conductoarelor active................................................................................3.43.4.3. Izolaţia conductoarelor active faţă de masă...............................................................3.43.4.4. Izolaţia reţelei faţă de pământ....................................................................................3.53.4.5. Schemele de legare la pământ....................................................................................3.73.4.6. Monitorizarea stării de izolaţie a reţelei.....................................................................3.83.4.7. Soluţii uzuale...........................................................................................................3.10

3.5. Schemele reţelelor electrice de joasă tensiune................................................................3.113.5.1. Principii generale.....................................................................................................3.113.5.2. Componenţa reţelelor electrice de joasă tensiune....................................................3.113.5.3. Tipuri de scheme......................................................................................................3.12

3.6. Impedanţa căii de alimentare în reţelele radiale.............................................................3.143.6.1.Impedanţa transformatorului.....................................................................................3.143.6.2. Impedanţa liniilor.....................................................................................................3.173.6.3. Impedanţa barelor de distribuţie şi întreruptoarelor.................................................3.183.6.4. Impedanţa reţelei......................................................................................................3.18

3.7. Impedanţa receptoarelor pasive......................................................................................3.18

3.21