Alimentarea serviciilor proprii din centralele electrice

Aspecte generale

Servicii proprii instalatii care contribuie la buna functionare a centralelor electrice (SP)

Clasificarea SP

Dupa locul amplasarii:

Interne (in incinta centralei)

Externe (ex. la CHE, serviciile proprii de la baraj

Dupa sfera de deservire:

De grup (aferente unui anumit grup)

Generale deservesc intreaga centrala sau mai multe grupuri (ex. Gospodaria de combustibil, instalatiile de evacuarea zgurii si cenusii la CTE)

Dupa importanta (continuitate in alimentare):

SP de categoria 0 (zero) consumatori vitali

Categorii de consumatori vitali:

Categoria 0 - a:

Intreruperea lor timp de o secunda poate scoate din functiune intregul grup (de ex. protectiile);

Se asigura 3 surse de alimentare (2 de la bateria de acumulatoare prin intermediul unor invertoare si o a treia sursa de la barele de alimentare in curentul alternativ al serviciilor 0 - b);

Categoria 0 - b:

Intreruperea lor timp de 10 20 secunde poate scoate din functionare grupul pe care-l deservesc (de ex. pompe de ulei pentru ungerea lagarelor grupului, statii de reducere - racire, unele automatizari, iluminatul de siguranta etc.);

Se asigura trei surse de alimentare (una normala, una de rezerva dintr-o sursa independenta si o a treia de siguranta: grup Diesel cu pornire automata);

Categoria 1:

Intreruperea lor timp de peste 3 secunde poate afecta sarcina grupului sau poate scoate chiar grupul din functionare;

Ex.: pompele de alimentare cu apa a cazanelor, ventilatoarele de aer si gaze la cazane etc.

Se asigura 2 cai de alimentare cu comutatie automata prin AAR (anclansarea automata a rezervei)

Categoria 2:

Intreruperea lor timp de 10 15 minute inca nu afecteaza bunul mers al grupului;

Ex.: concasoarele de carbune daca exista buncar tampon, sistemele de evacuare a zgurii si cenusii.

Se asigura 2 cai de alimentare fara comutare automata;

Categoria 3 consumatori auxiliari

Ex.: iluminatul culoarelor, instalatii de ridicat, ateliere, laboratoare etc.

Se asigura o singura sursa de alimentare.

Consumuri procentuale ale serviciilor proprii la sarcina nominala a grupurilor in cazul diferitelor categorii de centrale electrice

CTE:

Gaze sau pacura: 5

Carbune: 7

Carbune (lignit) cu putere calorifica scazuta: < 16%

CET: consumul de la CTE se amplifica cu 1,3

CNE: depinde de filiera partii nucleare: 5

Filiera CANDU:

CDE (Centrale Diesel Electrice):

Motorina: 3

Pacura: 5

CTG (centrale cu turbine cu gaze): 1

CHE: 0,2

Consumul global al serviciilor proprii la noi in tara este in jur de 9%.

Forme de energie necesare serviciilor proprii

In marea lor majoritate serviciile proprii sunt alcatuite din motoare electrice. Un procent mic il reprezinta iluminatul si consumurile pentru alte instalatii.

T cea mai comoda si indicata forma de energie pentru SP este energia electrica.

Exceptie: pompele de alimentare (cu puteri de 4,5 5MW) a cazanelor sunt actionate cu turbine cu abur (mai economic).

Trepte de tensiune in alimentarea SP

Motoarele de putere mica si iluminatul se alimenteaza la JT: 380/220V, mai nou 400/230V

Motoarele cu P_n 160 kW sunt alimentate la 6kV.

Principalele categorii de motoare electrice folosite pentru actionarea serviciilor proprii

Motoare asincrone (cu rotor in scc.) - cele mai folosite

Avantaje

Constructie simpla

Robuste

Pret redus

Pot autoporni (este suficient sa li se aplice tensiunea pentru a porni).

Dezavantaje

Soc de curent la pornire: 5 7 I_n

Nu se preteaza la un reglaj comod de viteza

In prezent se folosesc actionarile cu viteza variabila (AVV) prin care se alimenteaza cu tensiune de frecventa variabila motoarele.

Motoare sincrone

Se folosesc numai la actionari de mare putere (cativa MW) si turatie constanta.

Se folosesc supraexcitate pentru a debita puterea reactiva in reteaua SP.

Au un sistem de excitatie mai putin fiabil.

Sunt scumpe.

Motoare de c.c cu excitatie in derivatie

Turatia variaza liniar cu curentul absorbit:

Este un motor cu colector fiabilitate mai scazuta

Necesita instalatii speciale de pornire (Rp)

Este folosit la benzile transportatoare (de carbune) si la pompele de ulei.

Solutii de principiu pentru alimentarea serviciilor proprii

Vom aborda:

Solutii de principiu pentru alimentarea SP din centrale

Solutii de principiu pentru alimentarea SP vitale

Solutii de principiu pentru alimentarea SP din centrale

		1.3.

SP sunt alimentate in regim normal de un grup de casa, antrenat de o turbina de abur

Este o solutie sigura

Se foloseste in sistemele energetice slabe, in care iesirea din sincronism este frecventa si timpii de repornire trebuie sa fie mici

Costul specific (lei/kW) este mare si randamentele sunt reduse

Este o schema independenta T scurcircuitele din SEN sau scaderea frecventei nu sunt resimtite de agregatele de servicii proprii

Turbogeneratoarele de casa au fost inlocuite cu grupuri de casa montate pe acelasi arbore cu generatorul principal.

Reteaua de SP este independenta de perturbatiile din retea.

Ex. CHE Bicaz

Solutiile 1.1 si 1.2 nu mai au raspandire astazi.

Alimentarea SP se face de la generatoarele principale si din sistem

Toate solutiile au rezerva de alimentare a SP si din SEN

Solutii de principiu pentru alimentarea SP vitale

In mod normal, consumul SP vitale este asigurat din reteaua de curent alternativ prin IA (intreruptor automat)

In momentul disparitiei tensiunii pe barele de SP, se da comanda pornirii MDR (motor cu demaraj rapid). Demarajul are loc pe un interval de 10 20 secunde, timp in care SP ar ramane nealimentate.

Pe perioada pornirii MDR, SP vor fi alimentate de BA (baterie de acumulatoare) cu redresorul ce poate lucra si ca invertor. Redresorul mentine incarcata bateria si in regim de invertor se alimenteaza SP.

In regim normal, SP sunt alimentate de grupul M -G care poate fi de curent alternativ sau c.c. functie de necesitatile SP

In momentul intreruperii sursei de alimentare normala a SP, intra in functiune MDR si CE (cupla electromagnetica). Dar sunt necesare circa 10 secunde pentru ca ele sa antreneze motorul la plina sarcina.

In aceasta pauza, V (volant) care are inmagazinata energie in masele de rotatie, asigura energia necesara antrenarii G, pana este preluata aceasta functie de MDR.

Masuri pentru marirea continuitatii in functionarea serviciilor proprii alimentate de la generatoarele cuplate la SEN

Se actioneaza pe trei directii:

Sectionarea barelor colectoare a statiei de SP;

Rezervarea;

Folosirea unor motoare care autopornesc.

Sectionarea barelor colectoare ale statiilor de SP

Avantajele sectionarii:

Cresterea continuitatii in alimentare, in cazul unor revizii la bare sau la separatoarele de bare;

Limitarea curentilor de scc.

Se prevad:

1 etaj de bare colectoare de 6kV (cu una sau doua sectii de bare pentru fiecare grup, foarte rar trei);

se prevad 2 sectii de bare colectoare pentru serviciile proprii generale ale centralei;

1 etaj de bare la 380V (pot aparea zeci de sectii de bare de JT in reteaua de SP a unui grup); gruparea consumatorilor pe sectii se face dupa:

departarea dintre consumatori

gradul de importanta in continuitatea functionarii grupului.

Rezervarea

rezervarea tehnologica, de exemplu, prevederea a doua pompe de alimentare, a 2 3 ventilatoare (1 pompa in plus, etc.);

rezervarea alimentarii cu energie electrica

rezervare ascunsa

rezervare evidenta

a) rezerva ascunsa

		Cca. 100%

Rezervarea este 'ascunsa' in supradimensionarea fiecaruia dintre cele 2 trafo. de SP (2

In ipoteza unei avarii la TSP₂, protectia deconecteaza I₁ si I₂ si apoi AAR anclanseaza I_c (intreruptor de cupla) si SP rezulta alimentate numai prin TSP₁ dimensionat 100%.

AAR inchide I_c dupa ce verifica deschiderea lui I₂ pentru a nu alimenta defectul.

b) rezerva evidenta

se prevede a 'n+1' cale de alimentare a SP, transformatorul de rezerva evidenta T_{rez. evid.}.

Alimentarea SP prin T_{rez. evid.} poate fi comutata prin AAR, pentru a alimenta sectiile de SP de grup daca a disparut tensiunea de pe aceste sectii.

I_alim este deschis in functionarea normala a schemei, pentru a nu determina pierderi permanente de mers in gol la trafo. de rezerva evidenta.

Folosirea unor motoare care autopornesc

In prealabil trebuie verificate si asigurate conditiile de autopornire.

Aplicand tensiune acestor motoare, ele pornesc singure fara a fi necesara interventia omului sau a unor automatizari.

Se folosesc:

Motoare asincrone cu rotorul in scurcircuit

Motoare sincrone special construite cu rotorul robust astfel incat sa se poata inchide curentii de pornire in asincron.

Conditia de autopornire:

U_BC 0,7 U_n

(M_max U²)

M_max - cuplu motor maxim

Tensiunea pe barele de alimentare a SP nu trebuie sa scada sub 0,7 U_n pentru a se asigura cuplul necesar autopornirii motoarelor.

Alimentarea SP in cazul centralelor electrice cu bare la tensiunea generatoarelor

Schema principala, detaliata in zona SP:

			AAR

De la statia la care sunt racordate generatoarele (G₁ si G₂) se alimenteaza:

Serviciile proprii de bloc (prin T_SP1 si T_SP2)

Serviciile proprii generale + rezerva serviciilor proprii de bloc

T siguranta in functionare a acestor bare (la care sunt racordate direct generatoarele G₁ si G₂) trebuie sa fie ridicata.

Pentru grupurile bloc generator - trafo. alimentarea SP se ia in derivatie de la bornele generatorului (G₃).

Daca barele pe care debiteaza energie G₁ + G₂ sunt la 6kV se prevede alimentarea SP prin bobine limitatoare in loc de trafo. (curentii de scurcircuit sunt mari pe barele de SP datorita prezentei generatoarelor in apropiere).

Alimentarea SP din CET sau CTE cu grupuri bloc generator - transformator

A.

SP sunt alimentate printr-o derivatie de la bornele generatorului

Legatura fiind dupa T_ES, perturbatiile din sistem sunt mai putin resimtite (datorita impedantei T_ES)

T_SP1 are tensiune superioara medie T mai ieftin.

B.

T_SP2 este racordat la bara de IT a statiei sau la tertiarul AT T T_SP2 este mai scump, T_SP3 ceva mai ieftin.

In regim normal, alimentarea serviciilor proprii se face prin 2 trafo. serie (trafo. bloc + T_SP2) sau prin 3 trafo. serie (trafo. bloc + AT + T_SP3) T cresc pierderile

T_SP2 racordat direct la IT T se resimt perturbatiile din sistem (avariile).

Pentru alimentare normala, solutia A este mai buna.

Calitatea solutiei B este legatura directa, mai sigura a T_SP2 cu SEN. Aceasta legatura este utila la:

Pornirea blocurilor (P)

Oprirea blocurilor (O)

Alimentarea serviciilor proprii generale (G)

Cale de alimentare de rezerva mai sigura (R).

Evolutia conceptiilor privind aparatajul de comutatie pe derivatia de alimentare a SP de bloc

In aceasta solutie, I_d (intreruptor de derivatie) era obligatoriu pana acum 25 ani

Rolul lui I_d era: in caz de avarie in T_SP, protectia deconecteaza I₁ si I_d si AAR cupleaza alimentarea de rezerva

Pe masura cresterii puterii grupurilor si a cresterii valorii I_scc, I_d devenea mai greoi, mai scump si mai putin fiabil.

De asemenea, defectele in T_SP au o probabilitate mica T s-a renuntat la I_d.

I_d este inlocuit, pe cele 3 faze, cu trei legaturi debulonabile. In cazul unei avarii in T_SP, se deconecteaza intregul bloc si lucreaza ADR (automatul de dezexcitare rapida). Dupa aceea, se desface L_d , se deschide I₁ si se alimenteaza SP pe calea de rezerva si se reporneste grupul.

Solutii pentru limitarea curentilor de scurtcircuit pe calea de alimentare normala a SP

TID, fractionarea puterii, utilizarea bobinelor limitatoare

Folosirea TID

Fractionarea puterii instalate intr-un trafo. prin folosirea a 2 trafo. de putere mai mica

Folosirea bobinei limitatoare in cazul in care U_nG = 6kV.

Solutii de alimentare a SP la pornirea (P) si la oprirea (O) grupurilor din centrale

Pentru pornirea si oprirea grupurilor se consuma in cadrul SP cam 50% din puterea consumata la plina sarcina.

Pornirea sau oprirea grupurilor poate dura mai multe ore functie de tipul grupurilor.

Solutii:

Cu intreruptor la bornele generatorului

Fara intreruptor la bornele generatorului.

						(B)
		(A)

(A)

Solutie fara intreruptor la bornele G. Daca s-ar alimenta SP prin T_ES + T_SP la pornirea grupului T s-ar pune sub tensiune G, care s-ar roti inutil

T se alimenteaza SP prin T_POR. Aceasta reprezinta o cale de alimentare mai sigura din sistem

(B)

Solutie cu aparat de comutatie la bornele generatorului (I_G sau C_G - separator de sarcina)

T alimentarea SP la P sau O se face prin T_ES + T_SP, T_ES lucreaza la P sau O ca trafo. coborator.

Se poate utiliza T_rez rezerva pentru mai multe blocuri

In varianta (A), trecerea de pe functionarea SP pe T_POR la functionarea pe T_SP se poate face prin mai multe solutii:

Cu intreruperea alimentarii SP

Fara intreruperea alimentarii SP

Trecere cu intreruperea alimentarii SP (prin basculare)

se deschide I₁ si apoi se inchide I₂ foarte rapid

T se evita aparitia unor curenti foarte mari (care ar aparea daca T_ES, T_SP si T_POR ar fi puse in paralel)

pe timpul bascularii, motoarele din SP raman fara tensiune.

Trecere fara intreruperea cailor de alimentare

inchid I₂ , apoi deschid I₁ foarte rapid

Observatie Indiferent de metoda, bucla de 3 trafo. nu trebuie sa introduca tensiuni suplimentare

T suma decalajelor de tensiune introduse de cele 3 trafo. trebuie sa fie zero (daca bucla este inchisa). De regula, T_ES si T_POR     au aceeasi grupa de conexiuni Yd 11 T T_SP se alege Yy 12 sau Dd 12 pentru a nu introduce decalaje suplimentare de tensiune.

Reglajul de tensiune:

tensiunea la care se evacueaza energia din centrala se regleaza din excitatia generatorului G

tensiunea de alimentare a SP se regleaza din T_SP dotat cu RSS (reglaj sub sarcina).

Solutii pentru alimentarea SP generale

Aceste SP deservesc intreaga centrala; de exemplu: gospodaria de combustibil.

Conceptii de alimentare:

SP generale alimentate de la o statie la care sunt racordate T_PORG

Racordarea SP generale la sectiile care alimenteaza serviciile primelor 2 grupuri care se pun in functiune in centrala respectiva.

Solutii de alimentare

a)

b)

(a)

De obicei, racordarea la tertiarele autotrafo. (A₁, B₁). Daca solutia nu este posibila T racordare la A₂, B₂ sau A₃, B₃.

(b)

Cele doua trafo. T_POR1, T_POR2 alimenteaza doua magistrale de alimentare de rezerva a SP (M₁ + M₂).

Magistralele sunt cel putin o data sectionate la mijloc (I_M1 si I_M2).

Pentru grupuri mai mari sectionarea poate fi mai densa din motive de limitare a I_scc.

Trafo. T_POR este util sa se alimenteze de la o legatura sigura cu SEN.

De asemenea, trebuie sa urmarim economicitatea solutiei:

Eforturi mai reduse de investitii (T_POR racordate la tensiuni mai mici)

Pierderi de energie mai reduse.

Ipoteze pentru alegerea puterilor nominale ale trafo. de SP

Cu privire la trafo. legate in derivatie la bornele generatorului, care constituie calea normala de alimentare:

la sarcina nominala a SP

T la varf o incarcare optima a trafo. de 70%

Cu privire la T_PORG

simultan, ambele T_PORG trebuie sa poata asigura:

pornirea sau oprirea unui grup; S_Spnom T SP_generator 50% S_Spnom (la pornire)

rezervarea alimentarii unui alt grup T

alimentarea serviciilor proprii < 50%

T total 200% S_Spnom

in solutia (a) de la punctul 9.13 cele doua trafo. T_PORG se aleg de aceeasi putere cu cea a T_SP1 (T_SP2).

In solutia (b) de la punctul 9.13. cele doua T_POR trebuie sa asigure 200% S_Spnom.

Particularitati in alimentarea SP din CNE si CHE

CNE (Centrala nuclearo-electrica)

Consumul SP este de 5 S_nG

Partea clasica lucreaza pe ciclul apa-abur

Particularitati:

Exista mai multi consumatori vitali care trebuie asigurati in orice moment T sectionare mai adanca

Instalarea unor surse suplimentare de alimentare de siguranta (mai multe baterii de acumulatoare si mai multe grupuri Diesel cu demaraj rapid).

Cea mai importanta particularitate a schemelor pentru alimentarea serviciilor proprii ale centralelor nuclearo-electrice o reprezinta siguranta foarte mare ceruta in functionare, mai ales in cazurile de oprire la avarie. In acest sens, schemele de servicii proprii contin o serie de masuri suplimentarea fata de cele ale centralelor termoelectrice. Intrucat exista o mare diversitate de modalitati de a asigura aceasta functionare fara intreruperi, in figura este prezentata schema de principiu a serviciilor proprii ale grupului de 600 MW CANDU de la Cernavoda.

Trebuie remarcata existenta unei statii de servicii proprii de 110 kV, folosirea a doua tensiuni medii in alimentarea motoarelor de mare putere (6 si 10 kV); prezenta grupurilor antrenate de motoare Diesel cu demaraj rapid etc.

Conform normelor canadiene, consumatorii de servicii proprii ai centralei sunt impartiti in patru clase de siguranta in functionare:

clasa a IV-a, alimentati fie de la turbogenerator, fie de la sistem, pot suporta intreruperi in alimentarea cu energie electrica de lunga durata, fara implicatii in securitate; intreruperea completa a sursei consumatorilor de clasa a IV-a are ca efect oprirea reactorului;

clasa a III-a, alimentati de la sursele consumatorilor de clasa a IV-a si de la generatoarele Diesel in rezerva, care pornesc automat la intreruperea sursei de clasa a IV-a sau la un accident de pierdere a agentului de racire si asigura o sursa autonoma, independenta de sistem; sistemul de clasa a III-a poate tolera intreruperi de scurta durata, iar in cazul unei intreruperi de lunga durata, centrala mai poate fi inca oprita in deplina siguranta;

clasa a II-a (curent alternativ) si de clasa I (curent continuu) sunt proiectate sa asigure o sursa de alimentare neintrerupta si constau din baterii de acumulatoare, invertoare si sisteme de incarcare a bateriilor de acumulatoare; sistemele de clasa I si clasa a II-a sunt alimentate in regim normal de la sistemul de clasa a IV-a.

Pentru oprirea in deplina siguranta a centralei se prevad doua sisteme independente de oprire la avarie. Sistemul de oprire la avarie 1 este alimentat de la sursele electrice normale ale centralei. Sistemul de oprire la avarie 2 este prevazut cu o sursa de alimentare cu rezervare de 100%, care este prevazuta sa reziste la cutremure si este amplasata intr-o cladire separata.

Exemplu de schema pentru alimentarea serviciilor proprii ale unui grup de 600 MW dintr-o centrala nuclearo-electrica pe filiera CANDU:

CHE (Centrale hidroelectrice)

Consumul SP este de 0,2 S_nG

Nu avem nevoie de alimentare la 6kV a SP, ci numai la JT (400V):

Exista SP interne si externe (exterioare perimetrului CHE)

SP externe stavile, electrobaraje.

Alimentarea SP externe se poate face:

Prin transformatoare alimentate din statia de evacuare a puterii din centrala

Prin transformatoare alimentate din reteaua de distributie a energiei electrice din localitatile inconjuratoare (alimentare destul de sigura).

In unele situatii, nu se mai prevad solutii de alimentare a SP de la bornele grupului hidrogenerator, SP fiind alimentate din statia de evacuare a puterii din CHE sau din reteaua de distributie locala.

Alegerea puterii transformatoarelor care alimenteaza serviciile proprii

Alegerea puterii nominale a transformatoarelor care alimenteaza serviciile proprii se face astfel incat sa se asigure:

tranzitarea sarcinii maxime de durata a serviciilor proprii;

pornirea motorului care are cele mai grele conditii la pornire, considerandu-se celelalte motoare in functiune ;

autopornirea motoarelor principale in conditiile cele mai grele:

un plafon al curentilor de scurtcircuit sub limitele cerute de echipamentul din schemele de servicii proprii.

Puterea maxima de durata ceruta de consumatorii de servicii proprii este determinata de puterea motoarelor conectate, tinandu-se seama de coeficientul de incarcare, randamentul si factorul de putere al motoarelor, precum si de sarcina tranzitata spre sectiile de 0,4 kV prin transformatoarele de 6/0,4 kV. Pentru o prima aproximatie se poate folosi relatia de mai jos:

, (9.1.)

in care:

S_M,sp este puterea maxima de durata ceruta de consumatorii de servicii proprii, in kVA;

SP - suma puterilor motoarelor conectate la barele statiei de 6 kV, in kW;

K_1m - coeficientul de incarcare medie a motoarelor; valoarea acestui coeficient pentru centrale cu parametrii medii este de 0,6-0,65, iar pentru centrale cu parametrii inalti este de 0,75-0,85; la centrale cu parametrii foarte inalti acest coeficient are valoarea de 0,9;

h_m - randamentul mediu al motoarelor, care pentru calcule preliminare se poate lua de ordinul 0,9;

cos j_m - factorul de putere mediu; de obicei poate fi considerat ;

SS - suma puterilor nominale ale transformatoarelor de 6/0,4 kV;

K - coeficientul de incarcare al transformatoarelor de 6/0,4 kV; de obicei poate fi considerat K₂=0,7.

O prima alegere a puterii nominale a transformatorului de servicii proprii se face cu ajutorul relatiei de mai jos:

(9.2.)

In continuare, se verifica daca transformatorul de puterea aleasa mai sus asigura conditiile de pornire sau autopornire ale motoarelor mari de servicii proprii.

Verificarea conditiilor de pornire si autopornire ale motoarelor din cadrul serviciilor proprii consta in predeterminarea tensiunii de revenire pe barele de alimentare in momentul autopornirii, respectiv in momentul pornirii. Tensiunea de revenire depinde de curentii absorbiti la pornire sau autopornire si de nivelul puterii de scurtcircuit trifazat pe barele de la care sunt alimentate motoarele.

Se poate folosi relatia prezentata deja:

, (9.3.)

in care:

S_p este puterea electrica absorbita de motor la pornire sau puterea absorbita de grupul de motoare la autopornire;

S_sc - puterea de scurtcircuit pe barele statiei de 6 kV alimentate de transformatoare si la care sunt racordate motoarele (aceasta putere este proportionala cu puterea nominala a transformatoarelor S_nT);

U_{* admisibil} - valoarea relativa a tensiunii admisa la pornire sau autopornire (in lipsa unor valori precizate, se pot considera valorile 0,85 pentru cazul pornirii celui mai mare motor si 0,70 pentru cazul autopornirii unui grup de motoare dupa o pauza de tensiune).

Pentru asigurarea plafonului curentilor de scurtcircuit se va folosi relatia urmatoare, in care puterea transformatorului S_nT este cea rezultata pe baza aplicarii relatiilor anterioare:

(9.4.)

Trebuie remarcat faptul ca in aceasta faza, pentru satisfacerea relatiei de mai sus, este posibila trecerea de la un transformator de putere prea mare la doua transformatoare de putere mai mica sau la un transformator cu infasurarea secundara divizata. In acest caz este necesara reverificarea indeplinirii conditiilor de pornire sau autopornire a motoarelor.