Caracteristici generale ale echipamentului electric al cladirilor

1.1 Structura instalatiilor electrice

Problematica

- terminologie: echipament electric, instalatie electrica, receptor electric

consumator, furnizor, sistem energetic national

instalatie de producere, transport, distributie si utilizare

- schema de principiu a instalatiilor electrice

elemente componente

tensiuni utilizate

- instalatii electrice la consumator

gradul de dotare a cladirilor cu instalatii electrice

- categorii de consumatori

Energia primara furnizata omului de catre natura nu poate fi consumata in locul, sub forma sau in cantitatea existenta. In mod firesc este necesara transformarea, transportul si stocarea ei direct sau dupa transformari intermediare. Cea mai raspandita forma intermediara de utilizare a energiei este cea electrica.

Echipament electric - orice dispozitiv care asigura folosirea energiei electrice, atat in unitati globale cat si in unitati individuale, pentru producere, transport, distributie sau utilizare.

Instalatie electrica - totalitatea echipamentelor electrice interconectate intr-un spatiu dat.

Receptor electric (plural: receptoare) - echipamentul destinat consumului energiei electrice in scop util - receptoare de lumina, de forta (electromagnetice, electrotermice, electrochimice), de telecomunicatii.

Consumator de energie electrica (plural: consumatori) - totalitatea instalatiilor electrice ce asigura desfasurarea unei activitati umane specifice - constructii civile, industriale, agricole, statii de pompare, santiere de constructii, studiori de radio/televiziune, teatre s.a.

Consumatorii se racordeaza la reteaua electrica a furnizorului de energie electrica (Sucursala de furnizare si distributie a energiei electrice).

Sistem ElectroEnergetic - SEE - asigura alimentarea consumatorilor prin conexiunea de o forma oarecare intre toate elementele de producere, transport si distributie a energiei electrice. In structura acestuia sunt cuprinse totalitatea instalatiilor de producere (centralele electrice), transport (liniile electrice de 700, 400, 220 si 110 kV, statiile de transformare) si distributie (liniile electrice de 20, 10 si 6 kV, statiile si posturile de transformare si/sau distributie) a energiei electrice, avand un regim comun si continuu de productie si consum de energie electrica.

Figura 1.1. Schema de principiu a instalatiilor electrice.

CE - centrala electrica; SR - statie de transformare ridicatoare; LEA-IT - linie electrica aeriana de inalta tensiune; SC - statie de transformare coboratoare; ST - statie de transformare; PA - punct de alimentare; PT - post de transformare; LEA (LEC)-JT - linie electrica aeriana (linie electrica in cablu) de joasa tensiune; C - cofret (firida) de bransament; Wh - contor de energie activa; TG, TGL, TGF - tablou general, tablou general de lumina, tablou general de forta.    

In figura 1.1 este data o schema generala, de principiu, a instalatiilor electrice necesare alimentarii unei zone de consum. Energia electrica este produsa in centrale electrice - CE aflate in apropierea surselor de energie primara, tensiunea furnizata de generatoarele electrice sincrone fiind de 10 kV (tensiune optima de producere a energiei electrice). Pentru realizarea unui transport economic al energiei pe teritoriul tarii, tensiunea este ridicata intr-o statie de transformare - SR la un nivel de 110, 220 sau 400 kV. Valoarea tensiunii in instalatiile de transport este determinata de caracteristica energetica "sarcina distanta" [MVA km] a sistemului si influenteaza marimea pierderilor tehnologice de energie electrica in reteaua de transport. Centralele electrice si liniile de transport sunt interconectate pe teritoriul national; coordonarea functionarii acestora este realizata prin dispecerate teritoriale si dispeceratul national. In apropierea zonei de consum, tensiunea este coborata intr-o statie de transformare - SC la un nivel de 110 sau 20 kV, de unde este distribuita la statiile de transformare - ST amplasate in centrele de greutate ale subzonelor de consum. Apoi, prin intermediul unor puncte de alimentare - PA (statii de distributie) se alimenteaza posturile de transformare - PT, in care tensiunea este din nou coborata la valoarea de utilizare a sistemului trifazat 3x380/220 V. Consumatorii sunt alimentati prin statii de transformare (cazul ST₃), cu distributia in incinta in medie tensiune sau prin posturi de transformare (cazul PT_2.2), cu distributia in incinta in joasa tensiune. Consumatorii casnici sunt alimentati din reteaua de distributie de joasa tensiune a furnizorului (cazul PT_1.1), prin cofrete de bransament.

Pierderea de putere in conductoare prin efect Joule este data de relatia

, (1.1)

in care m este numarul fazelor liniei electrice; R - rezistenta ohmica a conductorului; S, P - puterea aparenta, respectiv activa transportata prin conductie pe o faza a liniei; U - tensiunea liniei electrice; j - defazajul intre tensiune/curent. Se constata cu usurinta importanta unei tensiuni cat mai ridicate (400 kV) pentru obtinerea unor pierderi cat mai reduse, la fel scaderea numarului fazelor liniei electrice, egal cu 3 in sistemul de curent alternativ trifazat fara conductor neutru (in transmisia in curent continuu se foloseste un singur conductor activ, cel de-al doilea fiind "pamantul"), a unei rezistente ohmice cat mai scazute si a unui factor de putere - cos j - cat mai ridicat (valoarea neutrala pe joasa tensiune in sistemul energetic national este de 0,92).

Exemplu. Sa se compare pierderile de putere intr-o linie trifazata de alimentare a unui consumator cu urmatoarele caracteristici: puterea transportata 5 MVA, lungimea liniei 1 km, pentru doua variante: tensiunea 110 kV, rezistenta ohmica de 1,81 W/km (corespunzator unui conductor de aluminiu cu sectiunea de 25 mm²), respectiv tensiunea 20 kV, rezistenta ohmica de 0,30 W/km (corespunzator unui conductor de aluminiu cu sectiunea de 95 mm²).

Solutie. Aplicarea relatiei (1.1), cu precizarea ca in sistemul trifazat S = UI, conduce la urmatoarele valori:

DP_{110 kV} = RS²/U² = 1,81 (5000)²/(110)²=3740 W, adica 0,07%;

DP_{20 kV} = RS²/U² = 0,30 (5000)²/(20)²=18.750 W, adica 0,37%.

Distributia energiei electrice la tensiunea de 20 kV conduce la o pierdere tehnologica de peste 5 ori mai mare decat daca s-ar utiliza tensiunea de 110 kV.

Instalatiile electrice la consumator sunt instalatiile ce asigura functionarea acestuia, sunt situate in aval fata de punctele de delimitare cu reteaua furnizorului de energie electrica si se afla in exploatarea consumatorului. Ele se pot clasifica dupa destinatie:

- instalatii electrice de iluminat - normal si de siguranta, interior si exterior;

- instalatii electrice de forta;

- instalatii de prize - de uz general, industrial;

- instalatii de telecomunicatii interioare;

- instalatii de protectie impotriva socurilor electrice;

- instalatii de protectie impotriva trasnetului;

- instalatii speciale - instalatii de ameliorarea factorului de putere si atenuare (combatere) a regimului deformant; instalatii de curent continuu; instalatii de iluminat tehnologic.

Gradul de dotare a consumatorilor (cladirilor) cu diferite categorii de instalatii este indicat prin normative si reglementari specifice pentru diferitele tipuri de cladiri - de locuit, social-culturale (scoli, crese si gradinite, internate si camine, cantine si restaurante, sali de sport, sali de spectacole), administrative, industriale s.a.

Categorii de consumatori. Conform RFUEE - Regulamentul pentru Furnizarea si Utilizarea Energiei Electrice (PE 932), consumator este o persoana fizica sau juridica ale carei instalatii electrice de utilizare sunt conectate la reteaua furnizorului prin unul sau mai multe puncte de alimentare prin care primeste si livreaza, daca are centrala electrica proprie, energie electrica. Dupa natura consumului de energie electrica, consumatorii se impart in: consumatori casnici care folosesc energia electrica pentru iluminat si receptoare electrocasnice necesare in propria locuinta; consumatori industriali si similari care folosesc energia electrica, in principal, in domeniul extragerii de materii prime, fabricarii unor materiale sau prelucrarii materiilor prime, a materialelor sau a unor produse agricole in mijloace de productie sau bunuri de consum si, prin asimilare, santierele de constructii, statiile de pompare, inclusiv cele pentru irigatii, unitatile de transporturi feroviare, rutiere, navale si aeriene si altele asemenea; consumatori tertiari sunt restul consumatorilor, in afara consumatorilor casnici si a celor industriali si similari.

In functie de puterea contractata, consumatorii se impart in mici consumatori, cu puteri contractate sub 100 kW si mari consumatori, cu puteri contractate de 100 kW sau mai mari.

In functie de sarcina maxima de durata absorbita in punctele distincte de delimitare, marii consumatori se clasifica in: clasa A - peste 50 MVA, clasa B - intre 7,5 50 MVA, clasa C - intre 2,5 7,5 MVA, clasa D - intre 0,1 2,5 MVA (se observa ca sarcina aparenta de 0,1 MVA corespunde puterii active de 100 kW pentru un factor de putere unitar).

1.2 Schemele retelei de distributie in incinta consumatorului

Problematica

- sistemul de alimentare cu energie electrica - extern, intern

- statie de primire, punct de delimitare

- terminologie: circuit, coloana, tablou de distributie (general, secundar, principal)

- tipuri de scheme (prezentare, avantaje, dezavantaje, recomandari de utilizare)

radiale - simple, in trepte

cu coloane magistrale - sectionate, nesectionate

buclate (inelare, plasa)

combinate

- semne conventionale

Sistemul de alimentare a unui consumator cuprinde instalatiile electrice care asigura energia electrica necesara functionarii acestuia. Se compune din sistemul de alimentare extern - partea SEN formata din ansamblul instalatiilor electrice aflate in exploatarea furnizorului si care sunt in amonte de punctul (punctele) de delimitare dintre furnizor si consumator si sistemul de alimentare intern - ansamblul instalatiilor de producere, distributie si utilizare a energiei electrice de la punctul (punctele) de delimitare la receptoarele consumatorului.

Figura 1.2 Punctul de delimitare in relatia furnizor-consumator

Punctul de delimitare - Figura 1.2 - este locul in care instalatiile consumatorului se racordeaza la instalatiile furnizorului si in care acestea se delimiteaza ca proprietate. Statia de primire este prima statie situata pe amplasamentul sau in vecinatatea amplasamentului unui consumator care indeplineste simultan urmatoarele conditii: (a) se afla pe traseul retelelor electrice de legatura dintre furnizor si consumator; (b) prin intermediul acesteia se realizeaza nemijlocit alimentarea cu energie electrica a consumatorului; (c) tensiunea primara sau tensiunea secundara a statiei este egala cu cea mai mare tensiune din instalatia de utilizare a consumatorului. Statia de primire poate fi o statie electrica de transformare sau conexiuni, un post de transformare sau un tablou de distributie.

Retelele electrice de joasa tensiune ale consumatorului sunt constituite din totalitatea coloanelor, tablourilor si circuitelor electrice. Coloana este ansamblul elementelor conductoare de curent (circuitul) care alimenteaza un tablou de distributie. Tabloul de distributie este o unitate functionala care serveste concomitent la primirea si distributia energiei electrice (in joasa tensiune). Circuitul este ansamblul elementelor conductoare care alimenteaza unul sau mai multe receptoare. Coloana electrica magistrala este coloana care alimenteaza pe parcursul ei cel putin doua tablouri de distributie, in derivatie. Coloana electrica colectiva este coloana din care se alimenteaza mai multi consumatori. Coloana electrica individuala este coloana care serveste pentru alimentarea unui singur consumator. Tabloul general de distributie este tabloul electric racordat direct la reteaua furnizorului (de joasa tensiune), la un post de transformare sau la o sursa proprie (de joasa tensiune) a consumatorului si care distribuie energia electrica la alte tablouri de distributie sau care alimenteaza direct anumite receptoare ale consumatorului. Tabloul secundar de distributie este tabloul de la care energia se distribuie la receptoarele consumatorului. In functie de complexitatea retelei de distributie, intre tabloul general si tablourile secundare pot fi intercalate tablouri principale de distributie alimentate din tabloul general si care distribuie energia electrica la tablourile secundare sau direct la anumite receptoare ale consumatorului. In cadrul sistemului de alimentare intern al consumatorului se distinge reteaua de distributie in incinta, marginita de punctul de delimitare si tablourile secundare de distributie.

Schemele dupa care se realizeaza retelele electrice de distributie in incinta sunt: radiale, cu coloane magistrale, buclate (inelare, plasa) sau combinate - Figura 1.3.

Schemele de distributie radiale sunt utilizate pentru alimentarea unor tablouri de distributie de puteri relativ mari si fata de care tabloul general (principal) ocupa o pozitie centrala. Se pot realiza cu una sau doua (rareori mai multe) trepte sau in cascada, cand la unele tablouri de distributie se racordeaza, alaturi de receptoare, si alte tablouri de distributie. Diagrama lineala a schemei radiale se aseamana cu ramificatiile unui copac ale carui ramuri radiaza din trunchi (motiv pentru care aceasta schema se numeste si "arborescenta"), astfel ca pentru fiecare punct de consum ("frunza") exista doar o singura cale proprie de alimentare cu energie electrica. Schemele radiale se executa cu cabluri pozate in pardoseala (ingropate, in tevi/tuburi de protectie, in canale de cabluri) sau aparent, pe elementele de constructie. Defectul aparut pe o coloana afecteaza alimentarea tablourilor si receptoarelor aflate in aval de locul defectului, restul instalatiei fiind alimentat in continuare. Protectia si comanda coloanelor este sigura si usor de dimensionat si reglat, fiind accesibila o conducere centralizata a operatiilor de control. Consumul de material conductor este insa destul de ridicat iar sistemul de alimentare nu este suficient de flexibil la schimbari ulterioare ale caracteristicilor de consum (pozitie, putere).

Schemele de distributie cu coloane magistrale se folosesc pentru alimentarea unor tablouri de distributie de puteri relativ mici amplasate pe o aceeasi directie fata de tabloul general. Coloanele magistrale sunt sectionate (in sistemul intrare-iesire) sau nesectionate. Segmentele coloanei sau derivatiile se echipeaza cu aparate de protectie si/sau de conectare pentru efectuarea manevrelor de exploatare. Schemele cu coloane magistrale sectionate sunt folosite la alimentarea blocurilor de locuit cu cabluri subterane, punctele de intrare-iesire fiind amplasate in tablourile firidelor de bransament (fiind astfel ferite de intemperii si lovituri mecanice). Schemele cu coloane magistrale nesectionate se executa cu bare capsulate pozate aparent, fixate pe elementele de constructie. Defectul aparut intr-un punct al coloanei magistrale afecteaza intreaga instalatie aflata in aval de locul defectului. Acest dezavantaj major poate fi eliminat prin alimentarea coloanei magistrale la ambele capete. Sectorul defect se deconecteaza in ambele parti prin actionarea protectie sau/si a intreruptoarelor manuale respective, instalatia

Figura 1.3 Schemele instalatiilor electrice de joasa tensiune
fiind in continuare alimentata din cele doua capete similar cu doua coloane magistrale cu alimentare simpla. Protectia si comanda coloanei magistrale sectionate este mai complexa decat a unei scheme radiale (in special in cazul alimentarii la ambele capete). Consumul de material conductor este mai scazut iar sistemul de alimentare este extrem de flexibil la schimbari ulterioare ale caracteristicilor de consum, cu conditia ca puterea suplimentara sa nu depaseasca rezerva avuta in vedere la dimensionarea coloanei magistrale. Comparand o schema radiala in cascada cu o schema cu coloana magistrala sectionata se constata similitudinea acestora.

Schemele de distributie buclate se obtin prin alimentarea coloanei magistrale la ambele capete din acelasi tablou general - schema inelara si realizarea unor legaturi suplimentare directe intre tablourile componente - schema plasa. Ele sunt complexe din punctul de vedere al dimensionarii si controlului dar ofera o mare siguranta si flexibilitate in alimentarea consumatorului.

Schemele de distributie combinate sunt utilizate in mod frecvent datorita conditiilor practice diverse in care trebuie realizata distributia in joasa tensiune a unui consumator.

Diferitele variante ale schemelor retelelor de joasa tensiune se analizeaza din punct de vedere al sigurantei in functionare, se compara intre ele pe baza calculelor tehnico-economice, al avantajelor pe care le implica si se alege solutia optima.

In Figura 1.4 este prezentat un exemplu de realizare a distributie int-un depozit [dupa Schneider].

Figura 1.4 Distributia energie electrice intr-un depozit

Pozitiile de amplasare ale tablourilor de distributie sau traseele cailor magistrale se stabilesc pe baza determinarii centrelor de greutate ale sarcinii sau a minimizarii pierderilor de putere (energie) electrica. Abaterea de la amplasamentul optim se reflecta prin cresterea investitiilor in materiale conductoare si a pierderilor de putere (energie).

Pentru inceput se traseaza cartograma sarcinilor electrice pe planul consumatorului intr-un sistem de coordinate xoy arbitrar ales. Se aplica metoda momentelor sarcinilor, coordonatele centrului de sarcina al unui grup de receptoare determinandu-se dupa legea momentelor statice, in care fortele se inlocuiesc cu sarcini electrice:

, (1.2)

amplasamentul otpim fiind in punctul A(x₀, y₀). Pentru minimizarea pierderilor de putere (energie) se evidentiaza faptul ca pierderea de putere este proportionala cu momentul sarcinii electrice fata de punctul de alimentare Pl.

Daca se introduce in relatia (1.1) rezistenta electrica R = l/gs, puterea activa in sistem trifazat P = 3UIcosj si densitatea de curent J = I/s, pierderea de putere in sistemul trifazat devine

DP = 3RI² = 3 (l/gs)I(P/ 3Ucosj 3J/gUcosj) Pl Pl. (1.3)

Traseul optim al unei cai magistrale este acela pentru care functia obiectiv (1.4) este minima

, (1.4)

calea magistrala fiind trasata paralel cu axa oy intr-un punct de abscisa x_cm sau paralel cu axa ox intr-un punct de ordonata y_cm, depinde pentru care dintre acestea se obtine cea mai mica valoare a functiei obiectiv.

Exemplu. Intr-o sectie industriala sunt urmatoarele receptoare, cu puterea P (kW) si amplasarea (x,y): 0,6/(3,12); 0,6/(3,10); 0,6/(3,4); 0,6/(3,2); 22/(6,5); 22/(9,11); 22/(10,8); 22/(14,10); 22/(16,6). Sa se determine centrul de greutate al sarcinilor si traseul de pierderi minime ale caii magistrale de alimentare.

Solutie. Coordonatele centrului de greutate sunt

x₀ = (0,6 3+ 0,6 3+0,6 3+ 0,6 3+22 6+22 9+22 10+22 14+22 16)/(4 0,6+5 22) = 9,94

y₀ = (0,6 12+ 0,6 10+0,6 4+ 0,6 2+22 5+22 11+22 8+22 10+22 6)/(4 0,6+5 22) = 7,98

Axa optima a coloanei magistrale are abscisa x_cm = 10 corespunzatoare functiei obiectiv minime de 346,8, respectiv ordonata y_cm = 8,0 corespunzatoare functiei obiectiv minime de 229,6. Astfel ca traseul coloanei magistrale va fi paralel cu axa ox la ordonata y_cm = 8,0