Curs 3. Sisteme moderne pentru distribuţia energiei electrice la MT

1. Introducere Sistemele moderne pentru distribuţia energiei electrice la MT utilizează practic schemele de

conexiuni cunoscute. Deşi pentru reţelele de distribuţie nu există scheme standard, companiile implicate în această activitate promovează în prezent două topologii de bază: structura cu linie principală (inclusiv în varianta sa cea mai simplă – schema radială) şi cea în buclă deschisă (buclată cu secţionare în punctul optim determinat pe baza criteriului pierderilor minime de energie, în regimurile normale de funcţionare) – Figura 1. Schema implementată practic se alege pe baza densităţii de sarcină rezultate pentru zona respectivă, într-un orizont de 10...15 ani.

Figura 1. Schemele de bază pentru reţelele de distribuţie de MT: cu linie principală (în stânga) şi în buclă deschisă (dreapta)

Ceea ce caracterizează însă noile realizări în implementarea sistemelor de distribuţie de MT

este asigurarea posibilităţilor de autostructurare a reţelelor (pentru creşterea capacităţii de tranzitare a energiei electrice), respectiv utilizarea unor echipamente primare şi secundare, inclusiv sisteme de protecţie şi telecomandă şi/sau control, cu performanţe superioare (pentru îmbunătăţirea regimurilor de exploatare, creşterea siguranţei în alimentarea cu energie a consumatorilor, reducerea impactului regimurilor de defect asupra elementelor sistemului şi a consumatorilor alimentaţi, asigurarea calităţii energiei electrice furnizate, etc.). 2. Scheme cu linie principală

Principiul de funcţionare al acestor scheme este utilizarea unei singure linii de alimentare, astfel încât racordarea diferiţilor consumatori presupune o structură arborescentă (Fig. 1). Schema este utilizată în special pentru distribuţia la MT în zonele rurale; ea permite o alimentare uşoară şi la un preţ convenabil, în zone cu densitate de sarcină scăzută, a consumatorilor răspândiţi pe o arie geografică mare. Adesea, un astfel de sistem utilizează linii electrice aeriene – Figura 2. Avantajele şi punctele slabe ale acestei soluţii sunt rezumate în Tabelul 1.

Figura 2. Schema cu linie principală realizată printr-o LEA, fără rezervare

Tabelul 1. Punctele tari şi slabe ale celor două configuraţii de bază ale reţelelor de MT

Schema Avantaje Dezavantaje

Radială • Simplitate • Funcţionare • Costuri de realizare

• Calitatea serviciului

Buclă deschisă • Simplitate • Calitatea serviciului

• Funcţionare cu comutaţii mult mai frecvente

• Costuri de realizare O soluţie tipică pentru reţelele de distribuţie rurală din Europa o reprezintă aşanumita configuraţie radial-arborescentă – Figura 3.

Figura 3. Reţea rurală de MT cu o configuraţie radial-arborescentă

Dacă situaţia o impune, se poate asigura o rezervă prin alimentarea reţelei de la două staţii de transformare coborâtoare diferite – Figura 4.

Figura 4. Schema cu linie principală realizată printr-o LEA, cu rezervă pe staţii

de transformare diferite

Pentru aglomerările urbane mai mici, se poate utiliza o distribuţie cu linie principală, realizată subteran, cu rezervare de la două staţii diferite – Figura 5.

Figura 5. Schema cu linie principală realizată printr-o LES, cu rezervă pe staţii

de transformare diferite

Totuşi, în regim normal de funcţionare, reţeaua urbană de MT (20 kV) este exploatată radial, secţionarea realizându-se în punctul de optim, care conduce la un consum propriu tehnologic minim, având în vedere posibilităţile reale din reţea (echipamente de conectare, amplasarea pe teren a posturilor de transformare, etc.); reţeaua se poate secţiona fie la un nod intermediar, fie la cele două capete de alimentare. Aşa cum se observă, această schemă presupune asigurarea rezervei de pe barele de MT din staţii de transformare diferite. Schemele radiale pot fi folosite şi pentru reţele de distribuţie indirectă, la care posturile de transformare 20/0.4 kV sunt racordate la barele de MT ale unor staţii de conexiuni de MT, denumite puncte de alimentare (PA) – Figura 6. Deoarece defectele care apar pe linii (fideri) sunt mult mai frecvente decât cele pe barele staţiilor de transformare, în cazul consumatorilor mai importanţi se recomandă scheme radiale duble, fără – Figura 7 – sau cu secţionarea barelor din punctul de alimentare – Figura 8.

Figura 6. Schema monofilară a unei reţele de alimentare de MT radială

Figura 7. Schema monofilară a unei reţele de alimentare de MT radială dublă, cu doi fideri în paralel

Figura 8. Schema monofilară a unei reţele de alimentare de MT, cu doi fideri

care debitează pe barele unui PA, secţionate longitudinal

3. Scheme cu linie principală dublă Sunt scheme mai puţin utilizate, fiind folosite de anumite companii de distribuţie în zonele

urbane cu densitate mare de consum (≥ 8 MVA/km2) în care trebuie asigurată o siguranţă sporită în alimentarea cu energie electrică. Figura 9 prezintă o astfel de reţea realizată în cablu, cu rezervare pe aceeaşi staţie de transformare; o variantă îmbunatăţită asigură rezervarea de la două staţii deferite – Figura 10.

Figura 9. Schema de distribuţie la MT în dublă derivaţie cu rezervare pe o singură staţie

Figura 10. Schema de distribuţie la MT în dublă derivaţie cu rezervare pe două staţii

Pentru această schemă, principiul de funcţionare este următorul: • reţeaua de MT este dublată, conţinând două circuite A şi B, ambele aflate sub tensiune; • fiecare staţie sau post de transformare MT/JT:

o este conectată la ambele cabluri de MT (A şi B), dar alimentarea se face doar prin unul dintre cabluri (comutatorul de MT este închis pe cablul A);

o este echipată cu un sistem local de control automat; • la căderea cablului A, sistemul de control detectează lipsa tensiunii, verifică existenţa

acesteia pe cablul B şi comandă închiderea unui întreruptor de MT, respectiv deschiderea celuilalt.

4. Scheme în buclă deschisă

Schema utilizează două linii de alimentare, ceea ce înseamnă că fiecare consumator poate fi alimentat prin două posibile căi electrice, deşi numai una dintre acestea este activă la un moment dat. Rezerva este asigurată de posibilitatea utilizării celeilalte ramuri a buclei. In această structură există întotdeauna un punct deschis, ceea ce conduce la o funcţionare echivalentă cu cea a două reţele radiale. Avantajele şi dezavantajele sale sunt prezentate în Tabelul 1.

Configuraţia tipică este desigur cea a unei bucle în care sunt conectate unităţile consumatoare (Fig. 1), ce pot fi staţii de distribuţie publice MV/LV şi/sau staţii de alimentare ale unor consumatori de MV. Fiecare punct (între 15 şi 25 pe buclă) este conectat prin două elemente de comutaţie; toate acestea sunt închise, cu excepţia unuia care deschide bucla, definind astfel calea de alimentare a fiecărui consumator. Acest punct de deschidere se poate deplasa în buclă, în special pe durata operaţiilor de reconfigurare ce au loc după apariţia unui defect.

In mod frecvent, această configuraţie este realizată sub forma unui sistem de distribuţie subteran, tipic pentru zone urbane intens populate – Figura 11.

Figura 11. Schema unei reţele urbane de MT cu funcţionare în buclă deschisă, realizată cu LES

O variantă folosită în cazul reţelelor de distribuţie indirectă este prezentată în Figura 12. Faţă de schema din Fig. 8, această soluţie evită creşterea curenţilor de scurtcircuit pe barele punctului de alimentare dar menţine avantajul alimentării prin doi fideri.

Figura 12. Schemă de distribuţie indirectă de MT cu funcţionare în buclă deschisă

Schema poate fi îmbunătăţită în continuare, iar pentru creşterea siguranţei în alimentarea cu energie electrică a consumatorilor sensibili barele sunt secţionate longitudinal, iar cei doi fideri sunt alimentaţi din secţii de bare diferite sau de la staţii de transformare diferite. 5. Scheme tip grilă Figura 13 prezintă o reţea tip grilă realizată în variantă subterană, cu rezervare pe aceeaşi staţie sau pe staţii de transformare diferite. Ea este folosită pentru reducerea volumului de cabluri de MT în mediile urbane cu o densitate de sarcină mai mare de 4 MVA/km2; schema permite o separaţie în mijlocul ei.

Figura 13. Reţea de distribuţie tip grilă, realizată în varianta LES

6. Soluţii de autostructurare a reţelelor de MT Autostructurarea reţelelor de MT urmăreşte creşterea capacităţii de transport a reţelelor de distribuţie. Pentru varianta din Figura 14, în situaţia existentă, reţeaua de distribuţie este alimentată din staţia de 110 kV, iar buclele realizate de distribuitorii de MT se închid pe aceeaşi staţie de transformare, cu separaţie la capăt. Autostructurarea poate fi efectuată prin realizarea unei noi staţii de 110 kV şi determinarea punctelor de separaţie în punctele rezultate optime.

Figura 14. Reţea de distribuţie de MT autostructurată prin realizarea unei a doua staţii de transformare de 110 kV

Pentru reţelele buclate ale căror bucle se închid pe două staţii de transformare existente, cu separaţie (tronsoane de avarie) la mijloc, autostructurarea impune realizarea unei – Figura 15 – sau chiar a două noi staţii – Figura 16 - şi stabilirea punctelor de separaţie în noua configuraţie.

Figura 15. Schema în configuraţie buclată între două staţii existente,

autostructurată prin realizarea unei a treia staţii

Figura 16. Schema în configuraţie buclată între două staţii existente, autostructurată prin realizarea a două noi staţii

7. Staţii în reţelele de distribuţie O staţie electrică este o entitate fizică definită prin poziţia şi funcţia pe care o îndeplineşte în reţeaua electrică; rolul său este în principal cel de a asigura trecerea între două niveluri de tensiune şi/sau de a alimenta consumatorul final – Figura 17.

Figura 17. Diferite tipuri de staţii în reţelele de distribuţie

8. Sisteme de protecţie, comandă şi control în sistemele moderne de distribuţie la MT Reţelele moderne de distribuţie la MT sunt conduse şi protejate prin sisteme comple organizate pe mai multe niveluri – Figura 18 – şi care se bazează pe cele mai noi realizări tehnice şi tehnologice în electronica de putere, microelectronică, informatică, achiziţia şi prelucrarea semnalelor, etc.

Figura 18. Nivelurile unui sistem de protecţie şi comandă la o reţea de distribuţie

Sistemele locale şi zonale de protecţie sunt formate din sisteme de detecţie (transformatoare de tensiune şi curent, etc.), dispozitive de protecţie şi control (relee de protecţie) şi dispozitive de deconectare (elemente de execuţie). Toate aceste elemente formează un lanţ de protecţie – Figura 19 - care asigură izolarea unei porţiuni a reţelei în cazul producerii unui defect, cu scopul de a asigura siguranţa reţelei prin protecţia împotriva defectelor de izolaţie între faze sau între fază şi pământ şi împotriva suprasarcinilor de durată. Lanţul de protecţie trebuie să reducă în special consecinţele unui scurtcircuit precum riscul de incendiu, defecte mecanice majore, etc.

Figura 19. Lanţul de protecţie la o reţea de MT

Elementele aflate în diferite locaţii geografice şi la diferite niveluri ale sistemului de comandă şi protecţie sunt interconectate printr-un sistem de telecontrol. Termenul de telecontrol înglobează toate elementele implicate în funcţionarea unei reţele; un sistem de telecontrol defineşte deci toate aceste elemente şi organizarea lor funcţională interconectată. In acest fel, sistemul de telecontrol trebuie să permită operatorului de reţea să gestioneze următoarele trei situaţii

• funcţionarea normală; • apariţia unui defect; • operaţiile de întreţinere (sub tensiune sau fără tensiune).

In sfârşit, sistemele de operare instalate în aceste sisteme aduc o contribuţie importantă la calitatea serviciului ce poate fi obţinut. Figura 20 indică modul în care intercalarea echipamentelor de comutaţie cu comandă de la distanţă pot mări siguranţa în alimentarea consumatorilor racordaţi la un sistem de distribuţie rurală cu o largă desfăşurare geografică.

Figura 20. Prezenţa întreruptoarelor cu comandă de la distanţă într-un

sistem de distribuţie rurală realizat cu LEA

Pe de altă parte, prezenţa echipamentelor şi a tehnologiilor moderne, inclusiv a sistemelor de semnalizare fără fir sau a echipamentelor cu autodiagnosticare, uşurează mult activităţile de mentenanţă corectivă, diminuând semnificativ timpii necesari pentru eliminarea defectelor – Figura 21. Realizarea operaţiilor de mentenanţă preventivă în baza unor tehnici moderne, precum tehnicile

bazate pe fiabilitate (mentenanţa bazată pe fiabilitate), conduc şi ele la îmbunătăţirea calităţii serviciilor oferite de sistemele moderne de distribuţie.

Figura 21. Exemple de tehnici de control la distanţă în reţelele de MT, cu indicarea tehnicilor de comunicaţii utilizate

In concluzie, automatizarea sistemelor de distribuţie continuă să se îmbunătăţească;

avantajele automatizării distribuţiei includ: • îmbunătăţirea fiabilităţii distribuţiei; • număr redus de întreruperi în alimentare şi reducerea duratei de întrerupere prin

localizarea şi izolarea automată a secţiunilor defecte din sistem şi restabilirea automată a serviciului pentru secţiunile sănătoase;

• număr redus de reclamaţii din partea consumatorilor; • pierderi de putere reduse în transformatoarele din staţii, reţelele de distribuţie şi

transformatoarele de distribuţie; • utilizarea mai eficientă a sistemului de distribuţie prin controlul automat al tensiunii,

managementul sarcinii, decuplarea sarcinilor şi alte funcţii automate de control; • metode îmbunătăţite pentru colectarea, stocarea şi afişarea datelor din sistem; • realizare, planificare, exploatare şi mentenanţă îmbunătăţite.