2. POSTURI DE TRANSFORMARE

2.1. Tipuri de posturi de transformare

Posturile de transformare sunt staţii electrice de transformare, coborâtoare, cu o putere cerută maximă de 1600 lVA, în care tensiunea energiei electrice este coborâtă de la o tensiune medie la joasă tensiune, în scopul alimentării reţelelor electrice de utilizare. Posturile de transformare fac astfel legătura între reţelele electrice de medie tensiune şi cele de joasă tensiune.

În cadrul instalaţiilor electrice la consumator, posturile de transformare reprezintă puncte de alimentare cu energie electrică la tensiunea de utilizare, corespunzătoare receptoarelor şi utilajelor, care poate fi:

UlMT 6,3; 10; 15; 20kV;Uln 220; 400 (380); 500; 630; 1000 V.Principalele criterii de clasificare a posturilor de transformare se referă la soluţia

constructivă, amplasarea, structura proceselor tehnologice deservite şi numărul de transformatoare. Alte criterii de clasificare pot fi: nivelul tensiunii înalte (medii), nevelul tensiunii joase, puterea instalată totală ş.a.

Din punct de vedere constructiv, posturile de transformare se realizează în următoarele variante, prezentate în figura 2.1:

- posturi de transformare în cabină de zidărie;- posturi de transformare în dulapuri metalice;- posturi de transformare montate pe unul sau doi stâlpi, SnT = (20 ... 350) kVA; aceste

posturi de transformare pot fi pe platformă sau agăţate pe stâlp.Amplasarea se referă atât la poziţia posturi de transformare în raport cu clădirile

consumatorilor, cât şi la cota de situare în raport cu solul.

a

1

b

c

Fig. 2.1. Tipuri constructive de posturi de transformare: a - în cabină de zidărie; b - în dulapuri metalice; c -. montat pe un stâlp

După poziţia posturilor de transformare în raport cu clădirile consumatorilor, se diferenţiază două tipuri de posturi de transformare:

- independente de clădirile consumatorilor, exterior şi interior;

2

- integrate în clădirile secţiilor productive, cât mai aproape de centrul de greutate al sarcinilor (interioare).

Cota de situare a posturilor de transformare în raport cu solul, determină următoarele tipuri de posturi de transformare:

- posturi de transformare subterane;- posturi de transformare supraterane (terestre);- posturi de transformare aeriene.În raport cu structura proceselor tehnologice deservite, se întâlnesc următoarele două

tipuri de posturi de transformare:- posturi de transformare bloc proces tehnologic, adică posturi de transformare care

alimentează utilaje grupate pe procese tehnologice, în cadrul unei singure secţii sau a câtorva secţii apropiate. Această situaţie conduce la o exploatare economică a posturilor de transformare, în condiţiile unei siguranţe sporite în funcţionare;

- posturi de transformare cu consumator eterogen, destinat alimentării unei diversităţi de utilaje, aparţinând unor procese tehnologice diferite şi prezentând caracteristici electroenergetice diferite.

Astfel de cazuri creează probleme în asigurarea selectivităţii protecţiei şi conduc la o frecvenţă mai mare a deranjamentelor.

Numărul de unităţi de transformator, care poate fi 1, 2 sau 3, este în strânsă legătură cu categoriile receptoarelor din punctul de vedere al continuităţii în alimentarea cu energie electrică şi determină nemijlocit configuraţia schemei electrice a posturilor de transformare şi o serie de aspecte funcţionale.

2.2. Structura posturilor de transformare

Instalaţia electrică a posturilor de transformare, indiferent de varianta constructivă a acestora, cuprinde două feluri de circuite:

- circuite primare, incluzând toate elementele care concură la transmiterea şi transformarea energiei electrice;

- circuite secundare, cu rol de protecţie, comandă, semnalizare, măsură, control ş.a.In schemele circuitelor primare, elementele pot fi grupate pe celule funcţionale,

concretizate adesea în unităţi constructiv - funcţionale. Astfel, în MT sunt celule sosire linii, celule cuplă, măsură şi eventual celule ale mijloacelor de compensare a puterii reactive. Celulele transformator leagă părţile MT şi JT ale posturilor de transformare, iar celulele de JT, mai numeroase, pot fi:

- celule plecări;- celula mijloacelor de compensare a puterii reactive;- celule cuplă.În figura 2.2 sunt prezentate variante ale celulelor sosire linii.

a b c d

Fig. 2.2. Configuraţii ale celulelor sosire linii MT: a - cu separator( Q1A) de rupere în sarcină;b - cu separator simplu (Q1B); c - pentru sistem dublu de bare; d - cu siguranţă şi separator.

3

Variantele cu un singur dispozitiv de separare a căilor de curent, fie acesta separator cu rupere sub sarcină (Q1A), fie separator simplu (Q1B), sunt destinate unor sisteme simple de bare WI (figura 2.2, a şi b). Când sistemul de bare este dublu, introducerea separatorului de bare Q2C devine necesară.

Separatoarele de pământare (Q2A, Q2B şi Q3C) permit punerea capătului liniei LE la pământ, atunci când sunt prevăzute lucrări de reparaţii, întreţinere sau revizii. Schema cu siguranţă-separator, având eventual şi descărcător cu rezistenţă variabilă (F2D în fig. 2.2, d), se întâlneşte la posturile de transformare cu o singură unitate, de puteri relativ mici (sub 250 kVA), montate pe stâlp sau în construcţie metalică.

Celulele de bază ale posturilor de transformare sunt cele care conţin transformatoarele de putere şi aparatura de protecţie, comutaţie şi măsură aferentă. În figura 2.3, este indicată o structură generală a celulei transformator, cu prezentarea unor alternative pentru unele dintre aparatele din schema de distribuţie. Aceasta evidenţiază faptul că aparatul de protecţie pe partea de MT, marcat prin Q2 (figura 2.3), poate fi de unul din următoarele tipuri:

- întreruptor automat;- separator cu rupere sub sarcină;- siguranţă de MT.Pe partea de JT, protecţia se asigură prin întreruptor automat (Q3 - figura 2.3) sau, la

posturile de transformare de puteri mai mici, prin siguranţă fuzibilă. Separatorul Q4 este reprezentat în schema de bază ca pentru un sistem dublu de bare pe partea de JT, existând şi alternativa (fig. 2.4, b), ca sistemul de bare să fie simplu. Cu linie întreruptă s-a redat în figură conductorul de nul, prezent sistemul de bare WJ şi legat la pământ prin rezistenţa Ro a prizei de pământ. Transformatoarele de măsură de curent TC1 şi TC2 furnizează aparatelor de măsură ca ampermetre, voltmetre, contoare etc., semnale proporţionale cu curenţii din părţile de MT, respectiv JT.

a bFig. 2.4. Structura generală a celulei transformator a - schema monofilară; b - variante de echipare.

4

Celula măsură (MT), prezentată în figura 2.5, cuprinde transformatoarele de măsură de tensiune TU; de obicei, se utilizează două transformatoare, legate în V. Acestea furnizează aparatelor de măsură ca voltmetre, wattmetre, cosfimetre etc. semnale proporţionale cu tensiunea de serviciu, de MT.

Fig. 2.4. Celula măsură (MT)

Celulele de MT sunt interconectate prin intermediul barelor de MT, iar celulele de JT - prin barele de JT. Barele de MT pot lipsi la posturile de transformare cu o singură linie MT şi un singur transformator. Sistemele de bare pot fi simple, secţionate sau duble, aşa cum se prezintă în figura 2.5.

a b cFig. 2.5. Sisteme de bare: a - simplu; b - dublu; c - secţionate.

În cazul unui sistem de bare secţionate (figura 2.5, a), o celulă poate fi conectată numai la una dintre secţiuni, în timp ce în cazul unui sistem dublu de bare, majoritatea celulelor pot fi racordate la oricare dintre sistemele de bare componente (figura 2.5, b).

Existenţa sistemelor de bare secţionate şi duble face necesară prevederea unor celulă de cuplă, care să facă legătura între cele două sisteme de bare, componente. Schemele celulelor de cuplă, prezentate în figura 2.6, sunt valabile atât în MT cât şi în JT; W1 şi W2 reprezintă două sisteme de bare distincte, rezultate prin secţionare sau dublare. Cupla simplă (figura 2.6, a),

a bFig. 2.6. Schemele celulelor de cuplă: a - simplă; b - automată.

cuprinde un singur separator, Q1A, fără posibilitatea de comutare sub sarcină. Cupla automată (figura 2.6, b) este mai dezvoltată, cuprinzând în afara întreruptorului automat Q2B şi separatoarele de bare Q1B şi Q3B. Cupla longitudinală leagă secţiunile distincte ale unui sistem de bare secţionate; cupla transversală leagă sistemul dublu de bare.

Cele mai dezvoltate, ca număr, sunt celulele plecărilor JT, datorită rolului de distribuţie pe care îl joacă posturile de transformare, pe lângă cel de transformare a energiei electrice. Acestea sunt destul de diverse, aşa cum se poate observa în figura 2.7, în raport cu puterile transportate de liniile JT şi cu aparatura folosită. La curenţii mai mari, liniile JT se protejează

5

prin întreruptor automat (Q2A), ceea ce face necesară prevederea şi a unui separator de bare (Q1A).

a b c dFig. 2.7. Configuraţii ale celulelor plecări JT: a - cu întreruptor automat;

b - cu separator şi siguranţă fuzibilă; c - cu separator unic pentrumai multe linii JT; d - numai cu siguranţă fuzibilă.

Varianta separator-siguranţă, prevăzută şi cu măsură (fig. 2.7, b), acoperă o gamă largă de plecări JT; din economie, există soluţia montării unui singur separator (Q1C) pentru câteva linii JT (figura 2.7, c). Cea mai simplă şi frecvent utilizată schemă este cea cu protecţia asigurată prin siguranţe fuzibile (figura 2.7, d); linia de JT, după ce s-a decuplat sarcina de la capătul acesteia, poate fi separată de la sistemul de bare (WJ), prin extragerea patroanelor fuzibile, astfel că siguranţele F1D joacă şi rol de separator, în caz de separaţii-revizii.

Compensarea centralizată, la posturile de transformare, a puterii reactive se realizează prin prevederea unor celule de compensare, în JT sau MT. O configuraţie posibilă pentru aceste celule este prezentată în figura 2.8, în opţiunea JT. Circuitul comun (coloana) se prevede cu protecţie, comutaţie şi măsură, iar circuitele individuale ale treptelor bateriei de condensatoare se prevăd cu protecţie şi comutaţie. De obicei, o treaptă (ex, C0) este fixă, iar celelalte sunt comutabile, manual sau automat.

Fig. 2.8. Celulă de compensare a puterii reactive.2.3. Dimensionarea posturilor de transformare

6

Problema dimensionării PT este relativ complexă, deoarece presupune parcurgerea următoarelor etape mai importante:

- stabilirea numărului de PT şi a puterilor cerute pe fiecare PT;- determinarea locurilor de amplasare a PT;- determinarea puterilor activă şi aparentă pe fiecare PT;- stabilirea numărului şi a puterilor transformatoarelor dintr-un PT;- organizarea regimului de funcţionare în paralel a transformatoarelor din fiecare PT.

A. Stabilirea numărului de PT

Modalitatea de grupare a receptoarelor şi utilajelor pe puncte de alimentare în joasă tensiune este subordonată unor criterii ca:

- amplasarea învecinată;- apartenenţa la acelaşi proces tehnologic;- puterile aparente cerute să se încadreze în domeniul (161600) kVA;- puterile cerute pe fiecare PT să aibă valori apropiate.Organizarea energetică a consumatorilor, în ceea ce priveşte numărul de PT, se face pe

planul de situaţie al acestuia, cu luarea în considerare a puterilor cerute de receptoare şi utilaje. Se procedează la gruparea sarcinilor plasate în vecinătate, astfel încât un ansamblu de sarcini să nu depăşească puterea aparentă cerută de 1600 kVA şi să se obţină puteri aparente apropiate pe posturi, pentru ca numărul de tipuri de PT să fie cât mai mic.

Numărul de ansambluri de sarcini astfel delimitat reprezintă numărul de PT, notat în continuare - nPT Pentru fiecare PT, se calculează apoi puterile cerute, pe baza metodelor de estimare cunoscute (scap. 1.3).

B. Determinarea locurilor de amplasare a PT

Se consideră toate utilajele şi receptoarele, aferente unui PT, reprezentate pe planul de amplasamente, aşa cum se prezintă în figura 2.9; în plus, s-a asociat arealului dreptunghiular, în care sunt situate utilajele şi receptoarele, un sistem de axe de coordonate xOy, pentru a se putea referi în acest plan fiecare punct de consum. Puterile cerute de utilaje şi receptoare se consideră determinate corespunzător numărului echivalent de receptoare, pentru PT în discuţie.

Fig. 2.9. Centrul de sarcină şi definitivarea amplasării PT.

Coordonatele centrului de sarcină echivalentă se calculează cu relaţiile:

7

; (2.1)

, (2.2)

în care xj şi yk reprezintă coordonatele caracteristice curente, înţelegând prin coordonate caracteristice acele abscise sau ordonate, la care este situat cel puţin un receptor sau utilaj;

Scxj, Scyk - suma puterilor aparente cerute, la coordonatele caracteristice respective, incluse în indice.

Evident sumele de la numitorii relaţiilor (2.1) şi (2.2) sunt identice, reprezentând sarcina "echivalentă", adică suma aritmetică a puterilor aparente cerute. Pentru moment, semnificaţia fizică a sarcinii echivalente este ascunsă, dar după introducerea ulterioară a mărimilor denumite curent cerut şi moment al curenţilor ceruţi, aceasta va putea fi explicitată.

După calcularea coordonatelor (xC,yC) ale centrului de sarcină echivalentă şi reprezentarea acestuia pe planul de amplasamente, se trece la luarea deciziei privitoare la poziţia finală a PT, în funcţie de tipul constructiv al acestuia şi de spaţiul disponibil din interiorul sau exteriorul clădirii (halei). Dacă, de exemplu, se decide că amplasarea PT se face în afara spaţiului ocupat de utilaje şi receptoare, centrul de sarcină va fi deplasat din punctul C (fig.2.9), de coordonate (xC,yC), pe distanţa cea mai scurtă.

C. Definitivarea puterilor aparente pe fiecare PT

Luând ca punct de referinţă determinarea puterilor cerute Pct şi Qct, din reţeaua de medie tensiune (par. 1.4.1, metoda coeficienţilor de cerere), se pune problema determinării puterii aparente, pe baza căreia să se aleagă puterea nominală a transformatoarelor din PT. Mai întâi, se impune remarca referitoare la calculul puterii reactive, totale - Qct: la estimarea acestei mărimi, puterea reactivă a mijloacelor de compensare ar trebui neglijată, Qbc= 0 (rel. 1.28), pentru a conferi un nivel sporit de fiabilitate postului de transformare.

Deoarece echipamentele electrice, cum sunt şi transformatoarele, admit anumite regimuri de suprasarcină, raţionamentul care se aplică la determinarea puterii de calcul, pentru alegerea puterii nominale SnT a transformatoarelor este următorul: puterea cerută totală, cu semnificaţia acesteia de putere maximă absorbită, să fie suportată de către transformatoarele electrice din PT in regim de suprasarcină. În acest fel, transformatoarele nu se supradimensionează şi, din punct de vedere economic, PT revine la un cost mai scăzut.

Notând cu coeficientul care exprimă capacitatea totală de suprasarcină a transformatoarelor, condiţia enunţată anterior se transpune pentru puterea activă sub forma

, (2.3)

în care s-a notat cu PPT puterea activă, de calcul, a PT. Capacitatea de suprasarcină totală a transformatoarelor rezultă datorită variaţiilor zilnice şi anuale a sarcinii, când, datorită funcţionării unor intervale importante de timp la sarcini mai mici, regimul termic al transformatoarelor este mai puţin solicitant şi deci fenomenul îmbătrânirii izolaţiei este diminuat.

8

Suprasarcina admisă pe baza variaţiilor zilnice ale sarcinii, conform curbei de sarcină zilnică, este definită prin regula celor trei procente, astfel: pentru fiecare 10 de reducere a coeficientului de aplatizare KPM faţă de 100, se admite o suprasarcină de 3. Expresia analitică a suprasarcinii relative admise, notată 3, este în baza regulii enunţate:

. (2.4)

Suprasarcina admisă pe baza variaţiilor anuale ale sarcinii, notată prin p, se defineşte pe baza regulii celor p procente, având următorul enunţ: pentru fiecare p% de subîncărcare vara, se poate admite iarna o suprasarcină echivalentă ca mărime, dar nu mai mare de 15%. Cu alte cuvinte, suprasarcina admisă iarna este egală cu subîncărcarea din timpul verii, ceea ce se scrie analitic sub forma:

; (2.5)

din ultimii doi membrii ai egalităţii se poate obţine relaţia

, (2.6)

care exprimă sub altă formă regula celor p%.Având definite cele două componente ale suprasarcinilor admise, se determină

capacitatea totală de suprasarcină cu relaţia

, (2.7)

care nu trebuie să depăşească valoarea maximă M= 0,2 pentru transformatoare instalate în interior şi M=0,3 pentru transformatoare montate în exterior.

Puterea activă, de calcul, pentru PT se deduce din relaţia (2.3), pentru condiţia de egalitate, mai întâi sub forma

, (2.8)

în care se introduc expresiile (2.4), (2.5) şi (2.7) ale suprasarcinilor admise, obţinându-se relaţia finală

, (2.9)

unde a fost pus în evidenţă raportul PMv/PMi, ca indicator al curbelor de sarcină (par. 1.5.2).În acelaşi timp, puterea activă a PT trebuie să corespundă valorilor maxim admise pentru

capacitatea totală de suprasarcină, conform celor de mai sus, astfel că se impune condiţia suplimentară

. (2.10)

Dacă se are în vedere faptul că, pentru consumatorul racordat la PT se cunoaşte factorul de putere natural cos, se calculează în continuare puterea aparentă, de calcul, a PT cu relaţia:

9

, (2.11)

pe baza căreia se poate trece la determinarea puterii nominale a transformatoarelor din PT.

D. Stabilirea numărului şi a puterii nominale a transformatoarelor

Într-un PT se montează, de obicei, transformatoare de aceeaşi putere nominală, din acelaşi considerent, pentru care se evită diversificarea tipurilor de PT, la acelaşi consumator: criteriul economic. În plus, este important de subliniat faptul că toate transformatoarele de putere, care urmează să lucreze în paralel, trebuie să aibă aceleaşi grupe de conexiuni. Numărul de transformatoare identice dintr-un PT este în funcţie de categoriile receptoarelor, din punct de vedere al continuităţii în alimentarea cu energie electrică, recomandările fiind expuse în continuare, în raport cu încadrarea pe categorii.

Pentru PT alimentând receptoare din categoria zero, se prevăd două transformatoare, fiecare dintre acestea putând suporta întreaga sarcină:

nT=2;, (2.12)

prin aceasta asigurându-se o rezervă de 100% în surse.Dacă consumatorul are receptoare de categoria I-a şi puterea aparentă, totală a acestora,

ScI, este mai mică decât 0,5SPT, atunci se recomandă tot două unităţi de transformator, a căror putere nominală să poată acoperi cel puţin puterea receptoarelor mai exigente, conform condiţiei:

, nT=2. (2.13)

Ponderea mai mare a receptoarelor de categoria I-a, evidenţiată prin inegalitatea

ScI 0,5 SPT,

se rezolvă cu recomandarea de a se utiliza, în acest caz, trei unităţi de transformator, ale căror puteri nominale să satisfacă condiţiile:

(2.14)

nT= 3.

Pentru cazul în care consumatorul este alcătuit din receptoare de categoria a II-a, condiţiile de determinare a transformatoarelor din PT sunt după cum urmează:

nT=2;

. (2.15)

În sfârşit, dacă în compunerea consumatorului se află numai receptoare de categoria a III-a, se prevede o singură unitate, determinată astfel:

nT=1;. (2.16)

10

2.4. Exploatarea economică a transformatoarelor

Posturile de transformare, care alimentează receptoare mai exigente din punctul de vedere al continuităţii în alimentarea cu energie electrică (categoriile 0, I şi II), pot fi prevăzute cu două sau chiar trei unităţi identice de transformare. În raport cu sarcina variabilă, tranzitată, regimul economic al posturilor de transformare se consideră corespunzător pierderilor de putere minime în transformatoarele conectate, deci randamentului maxim de transformare a energiei.

Conform datelor furnizate de către producători, pentru fiecare transformator cu puterea nominală SnT se cunosc următoarele mărimi:

- pierderile active la mers în gol Po;- pierderile active la mersul în scurtcircuit Psc;- curentul de mers în gol io%;- tensiunea relativă de scurtcircuit usc%.În tabelul 2.1 sunt indicate caracteristicile tehnice ale transformatoarelor de putere pentru

posturi de transformare, din fabricaţia Electroputere-Craiova. Pierderile de putere activă şi de putere reactivă prezintă o variaţie specifică la funcţionarea individuală, în sarcină, a unui tip de transformator, variaţie ilustrată în figura 2.10. Curba pierderilor de putere activă corespunde relaţiei:

, kW, (2.17)

în care kT = ST/SnT reprezintă gradul de încărcare al transformatorului, când este tranzitat de puterea aparentă ST.

Curba pierderilor de putere reactivă este descrisă de relaţia

, kvar, (2.18)

în care Qo reprezintă pierderile de putere reactivă la mersul în gol, iar Qsc - pierderile de putere reactivă la mersul în scurtcircuit, date respectiv de relaţiile:

(2.19)

(2.20)

Pierderea totală de putere activă se echivalează cu relaţia

(2.21)

în care e reprezintă echivalentul energetic al puterii reactive la bara de racordare a transformatorului, adică pierderea de putere activă ca urmare a creşterii cu o unitate a puterii reactive tranzitate din sistem spre nodul amonte al postului de transformare (emed = 0,03 kW/kvar, informativ).

(Fig. 36 - pag. 89, PIEI)

Fig. 2.10. Variaţiile pierderilor de putere activă (a) şi reactivăîntr-un transformator de putere MT/JT (SnT = 160 kVA)

Tratarea generală a funcţionării economice a transformatoarelor impune considerarea cuplării în paralel cu două transformatoare cu puteri nominale diferite SnT1 < SnT2, având pierderile identificate prin indicii numerici, corespunzători. Prin manevrarea aparatelor de comutaţie, la sarcini mai mici se cuplează transformatorul de putere mai mică, iar la sarcini mai

11

mari va fi mai economic să se conecteze numai transformatorul de putere mai mare. Sarcina limită la care s-ar impune comutarea de pe un transformator pe celălalt se determină din condiţia

(2.22)

care se explicitează mai întâi folosind relaţiile (2.17) (2.21) sub forma

(2.23)

Separând termenii dependenţi de sarcină (în membrul stâng) de cei independenţi de sarcină, relaţia devine

(2.24)

din care se deduce sarcina limită Sl, explicitând gradele de încărcare

(2.25)

sub forma expresiei generale

(2.26)

Relaţia (2.26) poate fi particularizată pentru orice situaţie concretă, inclusiv prin considerarea transformatorului 1 ca fiind un sistem de nT transformatoare identice, în paralel, iar a transformatorului 2 ca fiind un sistem de (nT + 1) transformatoare identice, în paralel. Sarcina limită la care se impune trecerea de la nT la (nT + 1) transformatoare se obţine explicitând pierderile sistemelor de transformare considerate şi puterile nominale astfel:

P01 = nTP0; Q01 = nTQ0

P02 = (nT + 1) P0; Q02 = (nT + 1)Q0 (2.27)..............................................................SnT1 = nTSnT; SnT2 = (nT + 1)SnT

Notând cu Sl (nT, nT +1) sarcina limită, se determină relaţia generală pentru aceasta sub forma:

(2.28)

care poate fi particularizată pentru trecerea de la un transformator la două în paralel şi de la două la trei în paralel, dacă unităţile sunt identice.

În figura 2. se prezintă curbele pierderilor totale de putere activă pentru un post de transformare având trei unităţi de transformator identice. Funcţionarea economică a postului de transformare este evidenţiată de înfăşurătoarea curbelor de pierderi, trasată pe figură cu linie întreruptă.

Relaţia (2.26) poate fi utilizată şi pentru aprecierea regimului economic de funcţionare a unor transformatoare de puteri diferite. Se subliniază condiţia ca, pentru a putea funcţiona în paralel, transformatoarele trebuie să aibă aceeaşi grupă de conexiuni. Graficul pierderilor active totale pentru un sistem de două transformatoare diferite este redat în figura 2. .

12

O formă simplificată a relaţiei (2.28) se obţine prin neglijarea pierderilor active suplimentare în reţeaua de alimentare, datorate tranzitului de putere reactivă consumate de transformator (e = 0):

(2.29)

care conduce la valori cu (8...10)% mai mici decât relaţia exactă.

13