Producerea, transportul, distributia si
utilizarea energiei electrice

Procese de baza

Folosirea energiei electrice in cele mai diverse sectoare ale activitatii umane implica prezenta a trei procese de baza: producerea, utilizarea (consumul) si transferul de la locul de producere la locul de consum (energia electrica fiind consumata, in general, in alte zone decat cele in care se produce).

Producerea energiei electrice

Producerea energiei electrice are loc prin transformarea altor forme de energie primara (termica, hidraulica, nucleara, chimica, mecanica, solara etc.).

Sursele de energie electrica (prescurtat 'surse') pot fi:

- centrale electrice - mari unitati producatoare;

- alte surse locale, de puteri relativ mici:

- fixe;

- deplasabile (in anumite cazuri).

Centralele electrice sunt localizate discret, in functie de sursele de energie primara, de posibilitatile de acces, de siguranta in exploatare.

2. Consumul de energie electrica (utilizarea energiei electrice)

Energia electrica este utilizata in receptoarele electrice (prescurtat 'receptoare') - elemente care transforma energia electrica primita (energia de alimentare) in alta forma de energie (mecanica, termica, luminoasa etc.) in scop util.

Localizarea receptoarelor este determinata de considerente tehnologice, acestea fiind plasate intr-o arie vasta, in diferite directii si la distante variind in limite largi fata de pozitia surselor.

3. Transferul energiei electrice

Energia electrica este transferata de la locul de producere (sursa) la locul de consum, in vederea alimentarii receptoarelor se face prin retele electrice ramificate, care realizeaza acest transfer in conditii tehnice, tehnico-economice si de siguranta determinate.

Retelele electrice constau in:

- elemente conductoare (cai de curent), care asigura canalizarea energiei electrice;

- echipamente electrice adecvate, prin care se realizeaza celelalte functii ale transferului.

2. Sistemul electroenergetic

Sistemul electroenergetic (SEE) reprezinta ansamblul instalatiilor electrice de producere, transport distributie si utilizare a energiei electrice, la nivel national, avand un regim concomitent de producere si consum de energie electrica, incepand cu generatorul din centrala electrica si terminand cu ultimul receptor.

2. Structura sistemului

Structura sistemului se poate defini fie sub aspect tehnic, fie sub aspectul proprietatii si responsabilitatii asupra anumitor sectoare.

Prin consumator (de energie electrica) se poate intelege deci:

- ansamblul instalatiilor electrice de distributie si utilizare aferente unui agent economic, unei institutii, unei colectivitati (inclusiv cele familiale);

- persoana fizica sau juridica avand in proprietate si exploatare instalatiile mentionate.

Drept furnizor (de energie electrica) se considera:

- ansamblul instalatiilor electrice de producere, transport si distributie a energiei electrice la consumatori;

- Compania Nationala de Electricitate sau mai multe companii specifice, printr-o unitate subordonata, care are in proprietate si exploatare instalatiile mentionate.

SEE este un sistem interconectat la nivel national, cuprinzand toate centralele electrice si liniile de interconexiune. Intrarea sau iesirea din sistemul interconectat se face printr-un nod al retelei.

Transferul energiei de la furnizor la consumator are loc printr-un echipament electric denumit statie de primire. Punctul de separatie (ca proprietate) intre furnizor si consumator este denumit punct de delimitare. In acest punct se face, de regula, contorizarea energiei electrice, in vederea decontarii catre furnizor a consumului respectiv.

Consumatorii mici, cu receptoare numai de joasa tensiune sunt alimentati direct din reteaua zonala de JT (aeriana sau subterana) a furnizorului, printr-un bransament care face legatura intre linia de alimentare si contorul de energie al consumatorului, situat la intrarea in echipamentul de primire (tabloul general. De regula, contorul apartine furnizorului.

Consumatorii de puteri mai mari sunt alimentati din reteaua de inalta sau de medie tensiune a furnizorului, printr-un racord constand in 1 2 linii si 1 2 statii de transformare, statii de conexiuni sau posturi de transformare.

Figura 2.1 evidentiaza structura de ansamblu a sistemului electroenergetic.

2.2. Instalatii de producere a energiei electrice

Energia electrica este produsa practic in exclusivitate in centralele electrice. Unii consumatori pot folosi si surse locale de energie electrica, in absenta unui sistem extern de alimentare sau ca rezerva in cazul indisponibilitatii sistemului extern.

Schematic, procesul de transformare a energiei primare in energie electrica implica un stadiu intermediar de transformare a energiei primare in energie mecanica, prin intermediul unui echipament neelectric (turbina, motor cu ardere interna) care antreneaza un generator electric. In functie de sursa de energie primara, principalele tipuri de centrale electrice sunt: centralele termoelectrice, centralele hidroelectrice si centralele folosind energia nucleara (centrale nuclear-electrice).

Centrala termoelectrica produce energie mecanica prin turbine cu abur, turbine cu gaz sau motoare cu ardere interna. In cazul turbinelor cu abur, energia latenta a combustibililor (carbune, gaz, petrol) este transformata in energie termica, prin ardere in interiorul unui cazan. Aceasta este cedata unui fluid de lucru (apa-abur) si este transformata de echipamentul termic (turbina cu abur) in energie mecanica, transmisa generatorului electric. Producerea de lucru mecanic rezulta, conform celui de al doilea principiu al termodinamicii, din evolutia fluidului de lucru (de regula, in circuit inchis) intre o sursa calda (in cazan, de unde fluidul iese sub forma de abur supraincalzit si la presiune ridicata) si o sursa rece (intr-un condensator, unde aburul destins in turbina este racit si se transforma in apa distilata).

Unele centralele termoelectrice produc numai energie electrica (centralele de condensatie CTE). Producerea combinata de energie electrica si energie termica (sub forma de abur sau apa calda, pentru alimentarea consumatorilor industriali sau urbani) se realizeaza in centralele de termoficare CET.

Centralele hidroelectrice CHE folosesc ca sursa primara energia hidraulica, potentiala si cinetica, a caderilor de apa naturale sau artificiale pentru actionarea unei turbine hidraulice care, la randul ei, antreneaza generatorul electric. Puterea mecanica la arborele turbinei fiind direct proportionala cu debitul de apa prin turbina si cu diferenta de nivel a curentului de apa intre amonte si aval, se poate recurge, in functie de situatiile concrete, fie la un debit mare si o cadere mica fie la o cadere mare si un debit mic. Aceste centrale necesita amenajari hidrotehnice corespunzatoare, cu durate de executie si costuri relativ mari.

CHE fara acumulare sunt amenajate pe firul apei, chiar in albia unui rau cu debit mare, inaltimea de cadere a apei fiind data exclusiv de ridicarea modesta de nivel realizata prin barajul care dirijeaza apa spre turbine. Centrala se poate amplasa fie in corpul barajului, fie la piciorul barajului, la una sau la ambele extremitati. Un exemplu il constituie CHE Portile de Fier.

CHE cu acumulare sunt caracterizate prin prezenta unui lac de acumulare (obtinut prin captarea debitului unuia sau mai multor rauri). Cresterea inaltimii de cadere a apei, fata de diferenta de nivel naturala, se poate realiza fie prin ridicarea nivelului amonte, printr-un baraj, fie prin coborarea nivelului aval, prin amplasarea centralei subteran, fie prin combinarea celor doua solutii precedente (ca in cazul CHE Lotru, CHE Arges).

Centralele nuclear-electrice CNE reprezinta o varianta de centrale termoelectrice in care energia termica este produsa in reactiile de fisiune nucleara care au loc in reactoare care contin combustibil nuclear. Solutia frecvent aplicata consta in doua circuite de fluid separate: un circuit primar de apa si un circuit secundar de apa-abur, intre care are loc un transfer de energie prin intermediul unui schimbator de caldura. Energia termica degajata in reactorul nuclear in urma reactiei in lant incalzeste apa care circula in conturul primar (reactor-schimbator de caldura) pana la temperatura de 255 275 ^oC; pentru a nu se produce fierberea, circulatia in conturul primar are loc la presiune ridicata (peste 10⁷ N/m²). In schimbatorul de caldura, caldura este cedata fluidului care circula in circuitul secundar, obtinandu-se abur la temperatura de 250 260 ^oC si presiunea de circa 12 10⁵ N/m². Incepand cu conturul secundar, procesul de producere a energiei electrice este similar celui din centralele termoelectrice. De remarcat ca in circuitul primar apa este radioactiva, ceea ce impune masuri de protectie biologica. Singura CNE din Romania este cea de la Cernavoda.

Instalatia electrica a unei centrale electrice cuprinde in primul rand generatorul electric si echipamentul electric auxiliar necesar. Energia electrica obtinuta la tensiunea de iesire a generatorului (6, 10 kV), in curent alternativ, nu poate fi transferata in mod economic la distante mari, fiind necesar un echipament electric (statie de evacuare a energiei) care sa ridice mult tensiunea de lucru.

Instalatiile de producere a energiei electrice apartin furnizorului de energie electrica.

2.3. Instalatii de transport si distributie a energiei electrice

Energia electrica produsa in centralele electrice este transmisa spre consumatori prin retele electrice, constituite din linii electrice si echipamente specifice (statii de transformare ridicatoare si coboratoare de tensiune, statii de conexiuni).

Transmiterea energiei electrice spre consumatori se face la diferite niveluri (trepte) de tensiune stabilite pe baza unor criterii tehnico-economice, tinand seama de pierderile de energie (direct proportionale cu puterea vehiculata si cu lungimea liniei si invers proportionale cu tensiunea, pentru aceeasi solicitare termica a conductoarelor) si de valoarea investitiilor (care, in domeniul tensiunilor inalte, creste proportional cu patratul tensiunii).

Tensiunile nominale de linie standardizate pot fi grupate in:

- joasa tensiune JT: sub 1000 V;

- medie tensiune MT: 10 sau, recomandabil, 20 kV;

- inalta tensiune IT: 110, 220 kV;

- foarte inalta tensiune FIT: 400, 750 kV.

Liniile de transport sunt destinate sa asigure vehicularea unor puteri electrice importante (zeci sau sute de MW) la distante relativ mari (zeci sau sute de km), fiind folosite ca:

- linii de legatura sau de interconexiune intre doua noduri ale sistemului electroenergetic;

- linii de transport al energiei electrice de la un nod al sistemului electroenergetic pana la un centru (o zona) de consum.

Liniile de distributie au o configuratie mai complexa si asigura vehicularea unor puteri relativ reduse, pe distante mai scurte si la un ansamblu limitat de consumatori din zona de consum.

Din punct de vedere constructiv, liniile electrice se realizeaza sub forma de linii electrice aeriene (LEA), montate pe stalpi, sau linii electrice in cablu (LEC), pozate subteran.

Instalatiile de transport si distributie a energiei electrice apartin furnizorului de energie electrica.

Delimitarea liniilor de transport si distributie dupa valoarea tensiunilor nominale nu este neta. Astfel, tensiunile liniilor de transport sunt, de regula, 400 si 220 kV si mai rar 110 kV, iar retelele de distributie ale furnizorului pot avea tensiunile nominale 0,4, 10, 20 kV, mergand pana la 110 kV sau chiar 220 kV (in cazul marilor consumatori).

Notiunea de distributie este, de asemenea, relativa. Pentru furnizor, instalatiile de distributie sunt considerate pana la punctul de delimitare cu consumatorul. In cazul unui consumator exista totdeauna o retea de distributie interna a energiei electrice pana la punctele destinate alimentarii receptoarelor, de unde incep circuitele de utilizare propriu-zise. Sectiile de productie sau grupuri de receptoare pot fi privite drept consumatori in cadrul instalatiilor electrice ale unei intreprinderi.

3. Efectele curentului electric

Curentul electric de intensitate I prin elementele retelei are efecte atat asupra acestora, cat si asupra organismelor vii si a altor elemente care vin in contact cu reteaua.

Efectele curentului electric trebuie avute in vedere la proiectarea si exploatarea instalatiilor electrice.

3. Efectele asupra retelei

Curentul electric produce in retea pierderi de putere activa, caderi de tensiune, solicitari mecanice, fenomene la deconectare, tensiuni induse, perturbatii electromagnetice in functionarea unor receptoare.

a. Pierderile de putere activa sunt direct proportionale cu patratul valorii efective a intensitatii curentului si cu rezistenta R a caii de curent parcurse

(k = 1 pentru c.a. monofazat, k = 3 pentru c.a. trifazat), avand drept consecinta incalzirea elementelor componente ale caii de curent si solicitarea termica a izolatiei acestora ( 5.4);

b. Caderile (pierderile) de tensiune, in lungul retelei, sunt direct proportionale cu valoarea efectiva a intensitatii curentului si cu impedanta Z a caii de curent parcurse

conducand la diminuarea tensiunii la bornele elementelor alimentate (cap. 10);

c. Solicitarile mecanice ale cailor de curent si ale suportilor acestora au loc datorita campului magnetic propriu al conductoarelor parcurse de curent rezultand:

- forte electrodinamice care se manifesta intre doua conductoare parcurse de curent, asupra unei spire sau asupra unei bucle formate de un conductor;

- forte electromagnetice care se exercita intre un conductor parcurs de curent si un corp feromagnetic invecinat.

Fortele sunt proportionale cu patratul intensitatii curentului. In curent alternativ, fortele sunt pulsatorii, osciland, cu dublul frecventei curentului, intre zero si valoarea maxima

Solicitarile mecanice prezinta importanta in cazul curentilor de defect (in particular, scurtcircuit). In cazul curentului de scurtcircuit asimetric (de intensitate I_sc), datorita componentei aperiodice, valoarea initiala a curentului poate atinge 2,5 I_sc (curent de lovitura).

d. Efectele negative asupra aparatelor de comutatie se manifesta datorita arcului electric la deconectare.

e. Inducerea de tensiuni electromotoare sau elemente ramase incarcate capacitiv in circuite deconectate pot influenta unele receptoare sau pot constitui un pericol pentru personalul de exploatare.

3.2. Efectele asupra organismului uman si al altor fiinte

Efectele curentului electric se manifesta prin :

- socuri electrice (care pot deveni periculoase), determinate de potentialele elementelor conductive cu care organismul vine in contact (de diferenta de potential aplicata organismului) si independente de intensitatea curentului prin elementele retelei;

- arsuri sau metalizarea pieii, determinate in principal de actiunea arcului electric care apare la intreruperea voita sau accidentala a unui circuit.

3.3. Efectele asupra elementelor combustibile, inflamabile sau explozive

Elementele respective, aflate in contact cu elementele retelei sau in vecinatatea acestora sunt supuse pericolelor de producere de incendii sau explozii, datorita fie unei descarcari electrice (scanteie, arc electric), fie supraincalzirii excesive a cailor de curent.

4. Trecerea curentului electric prin organismul uman

Pe langa folosirea controlata curentului electric in scopuri terapeutice, organismul uman poate fi expus accidental si necontrolat actiunii curentului electric.

Daca organismul este supus unei diferente de potential, se constata aparitia unui curent electric in circuitul astfel format, ceea ce demonstreaza conductibilitatea organismului.

4. Impedanta corpului

Corpul omenesc este un conductor specific - conductor electrobiologic. Diferitele parti ale corpului - cum sunt pielea, sangele, tesuturile musculare si alte tesuturi si
articulatii - prezinta pentru curentul electric o anumita impedanta compusa din elemente rezistive si capacitive (fig.4.1): Z_p - impedanta pieii, Z_i - impedanta tesuturilor interne, Z_T - impedanta totala. De remarcat ca impedanta organismului nu este constanta ci depinde de mai multi factori cum sunt : parametrii circuitului electric, starea fizica si psihica a organismului, conditiile de contact cu elementele aflate la potentiale diferite.

Impedanta interna (in principal, rezistiva) a elementelor conductoare din organism este relativ redusa (200 W) si depinde in principal de traseul curentului prin corp.

Cea mai mare pondere in impedanta corpului revine impedantei tesuturilor externe (pielea - in special, epiderma), adica impedantei de contact la intrarea si la iesirea curentului. Valoarea acestei impedante depinde de tensiunea de contact, de frecventa, de durata trecerii curentului electric, de suprafata si de presiunea de contact, de umiditate si de temperatura. Ea poate varia intre peste 100000 W (pentru piele uscata, curata, fara fisuri si o suprafata de contact mica) si cateva sute de ohmi (in cazul contactului pe o suprafata mare, cu mainile umede, cu fisuri sau acoperite cu substante conductive).

In analiza si calculul instalatiilor de protectie a personalului contra actiunii curentului electric, se recurge frecvent la un model de calcul simplificat, constand intr-o rezistenta R_h a carei valoare se poate considera 1000 W (sau, uneori, 3000 W

4.2. Contactul persoanelor cu instalatia electrica

Contactul accidental al persoanelor cu instalatia electrica poate avea loc (a se vedea si 14.5):

- cu partile active ale instalatiei aflate sub tensiune in decursul exploatarii instalatiei (contact direct);

- cu masele sau alte parti conductive intrate accidental sub tensiune (contact indirect).

Tensiunea care exista (sau care apare ca urmare a unui defect de izolatie sau unei influente electromagnetice) intre doua elemente conductive accesibile simultan in instalatia electrica si care se aplica astfel organismului uman este denumita tensiune de contact U_c.

Contactul se poate stabili nemijlocit cu doua elemente ale instalatiei, aflate la potentiale diferite, sau prin intermediul pamantului.

4.3. Efectele trecerii curentului electric prin organism

Trecerea curentului electric prin organismul uman (I_h = U_c/R_h) are efecte fiziopatologice asupra acestuia.

Efectul principal il constituie socurile electrice, care provoaca excitarea tesuturilor, organice parcurse, insotita de contractia spasmodica involuntara a fibrelor musculare, avand drept rezultat tulburari functionale in organism a caror gravitate depinde in mod esential de relatia timp-intensitatea curentului, consecintele fiind cu atat mai grave cu cat cele doua marimi au valori mai ridicate. Actiunea se exercita atat nemijlocit asupra tesuturilor organice parcurse, afectand indeosebi functionarea inimii, cat si prin intermediul sistemului nervos central, manifestata in special prin afectarea respiratiei.

Cel mai mare pericol este aparitia fenomenului de fibrilatie cardiaca constand in pierderea sincronismului de activitate al peretilor acesteia (diastole si sistole), putand avea drept consecinta oprirea circulatiei sanguine. De asemenea, se poate ajunge la oprirea respiratiei.

Pe langa acestea, se pot produce arsuri interne (prin efect Joule in tesuturile parcurse) sau externe (de exemplu, prin arc electric), precum si alte efecte secundare nedorite.

Avand in vedere relatia dintre intensitatea curentului si tensiunea de contact (la o rezistenta data a corpului), aprecierea unei instalatii electrice din punctul de vedere al protectiei personalului fata de efectele curentului electric ia in considerare evaluarea si evitarea mentinerii unei tensiuni de contact accidentale periculoase.

O prezentare mai detaliata a periculozitatii socurilor electrice se gaseste in 14.

5. Trecerea curentului electric prin pamant (sol)

5. Conductibilitatea electrica a pamantului (solului)

In mod normal, in absenta oricarei legaturi cu o sursa de curent electric, pamantul (solul) este considerat ca avand potentialul zero, servind drept referinta pe scara potentialelor.

Conductibilitatea electrica a pamantului (solului) poate fi pusa in evidenta aplicand o tensiune U intre doi electrozi ingropati in pamant (fig. 5.1). Se constata ca:

- ia nastere un curent electric de intensitate I_p care parcurge portiunea de sol dintre cei doi electrozi, semnificand prezenta unei rezistente R_p = U_p/I_p, suplimentara fata de rezistenta electrozilor;

- valoarea intensitatii curentului I_p depinde de natura solului, de umiditate si de temperatura, este maxima la distanta minima si scade pe masura cresterii distantei dintre electrozi, pana la o anumita distanta (de ordinul 20 m), dupa care ramane aproximativ constanta, chiar daca distanta este de ordinul kilometrilor;

- potentialul punctelor de pe sol se modifica, variind intre o valoare maxima (pe fiecare electrod) si zero (la infinit); practic, asa cum rezulta din figura 5.1, potentialul se poate considera nul de la o anumita distanta fata de fiecare electrod (de ordinul 20 m).

Se desprind urmatoarele concluzii:

- pamantul (solul) este un conductor specific - un conductor spatial, in general neomogen - care, desi are o rezistivitate superioara cu 8 9 ordine de marime celei corespunzatoare metalelor (apropiata de rezistivitatea izolantilor clasici), prezinta o rezistenta a circuitului stabilit prin pamant comparabila cu cea a metalelor foarte bune conducatoare de curent la valori apreciabile ale sectiunii acestora;

- rezistenta circuitului stabilit prin sol este concentrata in principal in imediata vecinatate a electrozilor de intrare respectiv iesire, fiecare electrod de legatura cu pamantul introducand o rezistenta dependenta de dimensiunile si configuratia geometrica a legaturii;

- conductibilitatea solului este in principal de natura electrolitica, solurile care contin cea mai mare cantitate de electrolit disolvat (de exemplu, teren arabil, teren argilos, humus, suficient de umede) fiind cele mai conductive, in timp ce terenul nisipos sau pietros se apropie de izolanti.

In consecinta:

- in anumite situatii, pamantul poate fi folosit drept conductor in unele sisteme de transfer al energiei electrice;

- contactul simultan al unor persoane sau altor organisme vii cu doua puncte de pe sol aflate la potentiale diferite sau cu elemente conductive din instalatiile electrice, aflate la un potential diferit de zero, si cu pamantul poate avea drept rezultat producerea de accidente prin trecerea curentului electric prin organism;

- prin pamant se pot inchide curenti de defect ai instalatiilor electrice sau pot fi dirijati intentionat curentii de defect, in vederea realizarii protectiei instalatiei si a personalului.

5.2. Contactul electric cu solul

Contactul electric cu solul al unui element conductiv din instalatia electrica se poate stabili fie intentionat (legare la pamant), in scop functional sau ca masura de protectie, fie in mod accidental, ca urmare a unui defect in instalatie (punere la pamant).

Stabilirea intentionata a unui contact electric intre un element conductiv al instalatiei electrice si pamant se realizeaza printr-o instalatie specifica.

Prin instalatie de legare la pamant se intelege ansamblul format din electrozi special destinati acestui scop, ingropati in sol (prize de pamant) si conductoare care fac legatura intre electrozii prizelor si elementele conductive din instalatie (conductoare de legare la pamant), prin intermediul carora se realizeaza un contact intentionat cu solul

Legarea la pamant functionala (de exploatare) se aplica elementelor conductive care fac parte din circuitele curentilor de lucru si urmareste asigurarea unui anumit mod de functionare a retelei.

Legarea la pamant de protectie are drept obiect elementele conductive (masele) care nu se afla in mod normal sub tensiune, dar care ar putea intra accidental sub tensiune, ca urmare a unui defect, scopul acestei masuri fiind protectia personalului in cazul atingerii accidentale a elementelor respective.

Fiecarei prize de pamant ii corespunde o anumita rezistenta a circuitului electric stabilit prin sol, numita rezistenta prizei de pamant. O rezistenta similara corespunde, de asemenea oricarei puneri la pamant (rezistenta de defect).

Sistemele de legatura a retelelor electrice cu pamantul sunt analizate in
capitolele 3 si 14.

Contactul electric cu solul al unei persoane poate avea loc direct sau prin intermediul unor elemente conductive aflate in contact cu pamantul (de exemplu, conducte de apa sau elemente metalice ale constructiei).

Producerea, transportul, distributia si utilizarea
energiei electrice

Procese de baza

Producerea energiei electrice

2. Consumul de energie electrica (utilizarea energiei electrice)

3. Transferul energiei electrice   

2. Sistemul electroenergetic

2. Structura sistemului

2.2. Instalatii de producere a energiei electrice   

2.3. Instalatii de transport si distributie a energiei electrice

3. Efectele curentului electric

3. Efectele asupra retelei

3.2. Efectele asupra organismului uman si al altor fiinte

3.3. Efectele asupra elementelor combustibile, inflamabile sau explozive

4. Trecerea curentului electric prin organismul uman   

4. Impedanta corpului

4.2. Contactul persoanelor cu instalatia electrica

4.3. Efectele trecerii curentului electric prin organism

5. Trecerea curentului electric prin pamant (sol)   

5. Conductibilitatea electrica a pamantului (solului)

5.2. Contactul electric cu solul