Scheme de principiu pentru centrale electrice

SCHEME DE PRINCIPIU PENTRU CENTRALE ELECTRICE

ASPECTE GENERALE

Schema de conexiuni a unei centrale trebuie sa asigure evacuarea energiei electrice produse de generatoare direct la consumatori (dintre care unii sunt consumatorii proprii ai centralei) si/sau in sistemul electroenergetic.

Schema electrica de conexiuni a unei centrale electrice depinde de o multime de factori, cum ar fi :

tipul centralei electrice - CTE, CET, CNE, CHE etc.;

numarul si puterea nominala a generatoarelor;

regimul de functionare al centralei;

amplasarea centralei in raport cu reteaua electrica a sistemului electroenergetic etc.

Exista o destul de mare diversitate a schemelor de conexiuni ale centralelor electrice. Cu toate acestea schemele de conexiuni ale centralelor se pot grupa in cateva categorii dictate mai ales de puterea nominala a grupurilor centralei. Astfel, de exemplu, exista categoria centralelor echipate cu grupuri de putere mica, la care caracteristic este faptul ca generatoarele sunt racordate direct la statii de medie tensiune. In cazul centralelor cu grupuri de mare putere este caracteristica utilizarea schemelor bloc, care au pe partea electrica generatorul cuplat direct cu un transformator ridicator.

In acest capitol va fi prezentata sub forma de scheme de principiu doar acea parte a schemelor de ansamblu ale centralelor electrice care priveste evacuarea energiei produse de generatoare la consumatorii externi centralei sau in sistemul electroenergetic. Partea care priveste alimentarea consumatorilor proprii ai centralelor face obiectul capitolului urmator.

Principalele criterii care trebuie avute in vedere la alegerea schemelor de principiu ale centralelor electrice se refera pe de-o parte la asigurarea calitatii in livrarea energiei electrice produsa in centrala, atat sub aspectul continuitatii, cat si sub aspectul parametrilor energiei, iar pe de alta parte se refera la realizarea unor scheme cu cheltuieli totale pe intreaga durata de viata cat mai mici.

SCHEME PENTRU CENTRALE CU STATII ELECTRICE DE EVACUARE A ENERGIEI ELECTRICE LA TENSIUNEA GENERATORULUI

In categoria acestor centrale intra cele echipate cu grupuri de putere mica, de regula, sub 50 MW. Generatoarele cu astfel de puteri au ca tensiune nominala o valoare din domeniul de medie tensiune (la noi in tara, cel mai frecvent, aceasta tensiune este 6 kV) sau chiar din cel de joasa tensiune, daca generatoarele sunt de putere foarte mica.

Pentru realizarea schemelor de conexiuni ale acestor centrale este economic ca generatoarele sa fie racordate direct la o statie de medie tensiune (de aceeasi valoare cu tensiunea nominala a generatorului), prin care energia sa fie evacuata direct la consumatori.Avantajul economic consta in faptul ca energia produsa de generatoare ajunge direct in reteaua de distributie, fara a mai suferi transformari generatoare de pierderi suplimentare de energie electrica.

Doua conditii trebuie indeplinite pentru a realiza astfel de scheme de conexiuni:

tensiunea nominala a generatorului sa coincida cu tensiuni ale retelelor de distributie;

generatoarele sa aiba puteri relativ mici (sub 50 MW), puteri care sa poata fi distribuite in mod economic printr-o retea de medie tensiune, retea care are o capacitate limitata de a distribui energie.

In continuare sunt prezentate cateva tipuri de scheme de conexiuni pentru astfel de centrale.

Centrale cu o singura statie la tensiunea generatoarelor (figura 1). Sunt caracteristice centralelor cu generatoare de cativa MW (de regula, centrale de platforme industriale). Energia electrica produsa de generatoare ajunge direct la consumatori printr-o statie de medie tensiune, de regula la 6 kV.

Pentru ca grupurile centralei sa nu functioneze insular, trebuie realizata o legatura cu sistemul electroenergetic, prin linii electrice de medie tensiune. Aceasta legatura are rolul de a permite, in anumite momente, ca eventualul surplus de energie produs de generatoare sa poata fi evacuat la alti consumatori, iar altadata - cand generatoarele nu functioneaza, de a asigura alimentarea din sistem a consumatorilor racordati la statia de medie tensiune a centeralei.

Centrale cu o statie la tensiunea generatoarelor si cu o statie de tensiune mai mare, pentru legatura cu sistemul electroenergetic (figura 2.).

Aceste scheme se folosesc pentru centrale cu grupuri de pana la 12-25 MW (rareori 50 MW). De regula, daca grupurile nu sunt numeroase si nici de putere mare, este economic sa fie toate racordate la statia de medie tensiune. In anumite situatii, unele grupuri pot fi racordate prin transformator si la statia de inalta tensiune, daca prin racordarea tuturor generatoarelor la statia de medie tensiune aceasta ar trebui sa evacueze prea multa putere.

Fig.1. Schema de principiu pentru centrale cu generatoare de mica putere si o statie de evacuare a energiei la tensiunea generatoarelor

Fig.2. Schema de principiu pentru o centrala cu generatoare de putere relativ mica, cu o statie de evacuare la tensiunea generatoarelor si o statie de inalta tensiune pentru legatura cu sistemul electroenergetic

Legatura cu sistemul energetic, necesara pentru ca centrala sa nu functioneze insular, este asigurata de transformatoare si o statie de inalta tensiune asa cum se vede din figura 2. Spre deosebire de cazul anterior, aceasta legatura este mai puternica si mai sigura. Rolurile ei sunt aceleasi ca si in cazul precedent.

Centrale cu mai mult de doua statii se intalnesc rar si sunt rezultatul unei dezvoltari in etape a schemelor de conexiuni, odata cu dezvoltarea centralei. Pot aparea, de exemplu, doua statii la tensiunea generatoarelor din cauza instalarii etapizate a unor generatoare cu puteri si tensiuni nominale diferite, alaturi de statii de inalta tensiune necesare realizarii legaturii cu sistemul.

Schemele de conexiuni ale statiilor de medie tensiune sunt, de regula, scheme cu unul sau doua sisteme de bare colectoare, de cele mai multe ori sectionate longitudinal. Una dintre problemele importante care apar la aceasta categorie de scheme de conexiuni o reprezinta marimea curentilor de scurtcircuit. In multe cazuri, plafonul la scurtcircuit al acestor statii de medie tensiune este mare din cauza generatoarelor si, ca urmare, schema de conexiuni a statiei trebuie sa includa masuri de limitare a curentilor de scurtcircuit. Deoarece generatoarele trebuie sa functioneze in paralel, in aceste scheme limitarea curentilor de scurtcircuit se face, de regula, asociind sectionarea cu folosirea bobinelor limitatoare. In figura 3 este prezentat un exemplu de schema in care se folosesc bobine pentru limitarea curentilor de scurtcircuit cuplate intre sectii de bare colectoare si pe liniile spre consumatori.

Fig.3.Schema de principiu pentru o centrala cu generatoare de putere relativ mica si cu masuri de limitare a curentilor de scurtcircuit folosind sectionarea si bobine limitatoare

SCHEME PENTRU CENTRALE CU STATII ELECTRICE DE EVACUARE A ENERGIEI ELECTRICE CU TENSIUNI MAI MARI DECAT TENSIUNEA GENERATORULUI

Majoritatea centralelor din aceasta categorie o reprezinta cele cu generatoare de putere mare, de ordinul sutelor de megawati.

In cazul acestor generatoare este economic ca energia sa fie evacuata direct la tensiuni mari (110-400 kV), unde retelele au capacitatii corespunzatoare de vehiculare a energiei. Intrucat tensiunile nominale ale genaratoarelor nu depasesc 30 kV este necesara utilizarea de transformatoare ridicatoare si intrucat o statie electrica la bornele generatoarelor ar ridica probleme deosebite, solutia practicata este legarea in serie a fiecarui generator cu cate un transformator, realizandu-se astfel o schema bloc (paragraful 5.6). Ansamblul generator-transformator este denumit in limbajul curent bloc generator-transformator sau cateodata pur si simplu bloc. Mai trebuie spus ca in cele mai multe cazuri, blocul generator- transformator este partea finala a unui bloc mai amplu, format din cazan-turbina-generator-transformator.

Caracteristicile schemei bloc sunt interdependenta dintre componentele blocului, care nu pot functiona decat impreuna, si volumul redus al aparatelor de comutatie intre elementele blocului. In foarte multe cazuri blocul generator-transformator nu are nici un fel de aparat de comutatie intre generator si transformator.

In figura 4. sunt prezentate cateva tipuri de scheme bloc generator-transformator. Astfel schema clasica, cu cea mai mare raspandire, este cea din figura 4,a, fara nici un aparat de comutatie intre generator si transformator, cu intreruptor numai in statia de inalta sau foarte inalta tensiune.

In schemele din figura 4,b blocul este prevazut intre generator si transformator cu un aparat de comutatie: intreruptor (I_G) sau separator de sarcina (S_S) numit cateodata cuplor. Rolul acestui aparat de comutatie este de a simplifica schema de alimentare a serviciilor proprii. Solutia nu este totusi raspandita pentru ca aparatul este foarte scump si constituie un punct slab pe legatura generator-transformator. Schemele din figurile 4,c si 4,d folosesc pentru transformatorul de bloc un transformator cu trei infasurari sau un autotransformator cu tertiarul accesibil. In aceste scheme, prezenta intreruptorului I_G de la bornele generatorului este obligatorie pentru a permite functionarea (auto)transformatorului si cu generatorul oprit. Avantajul acestor scheme consta in faptul ca permit cuplarea generatorului la doua statii folosind un singur (auto)transformator care va indeplini si rolul de legatura intre cele doua statii.

In schema din figura 4,e blocul este format din doua generatoare si un singur transformator. Si in acest caz intreruptorul de la bornele generatorului este obligatoriu. Acest tip de schema permite reducerea numarului de transformatoare ridicatoare ale centralei si a numarului de celule din statia de inalta sau foarte inalta tensiune a centralei. Are insa dezavantajul ca doua generatoare depind de un transformator; orice defect in transformator va scoate din functiune ambele generatoare.

Fig.4. Diverse tipuri de scheme bloc generator - transformator pentru generatoare de mare putere

Schemele de principiu ale centralelor cu grupuri mari contin de regula, una pana la trei statii de evacuare a energiei, statii la care se racordeaza blocurile generator-transformator. In cazul existentei a mai multor statii de evacuare este necesara folosirea de transformatoare sau autotransformatoare de legatura.

Tensiunile nominale ale statiilor de evacuare depind de puterea nominala a generatoarelor. De exemplu, grupurile de 330 MW trebuie racordate la statii de la 220 kV inclusiv in sus, in timp ce grupurile de 50-100 MW este economic a fi racordate la statii de 110 kV.

In figura 5 este prezentat un exemplu de centrala cu doua statii de evacuare, legate intre ele prin autotransformator. Cele doua tensiuni inalte pot fi, de exemplu, 110 kV cu 220 kV sau 220 kV cu 400 kV. Repartitia grupurilor pe cele doua statii este o problema de optimizare a circulatiei energiei produse de centrala.

Exista, mai rar, si centrale care au trei statii de evacuare a energiei. Aceasta situatie este, in cele mai multe cazuri, rezultatul unei dezvoltari etapizate de-a lungul timpului.

Fig.5. Schema de principiu pentru o centrala cu blocuri generator transformator si doua statii de evacuare a energiei electrice legate prin autotransformator

Linii de legatura cu sistemul

Linii de legatura cu sistemul

In figura 6 este prezentat un exemplu de schema la care autotransformatoarele de legatura dintre statii sunt folosite si ca transformatoare de bloc.

Fig.6. Schema de principiu pentru o centrala cu doua statii de evacuare a energiei electrice care are si doua blocuri generator - autotransformator

Se face economie de transformatoare de bloc dar exista unele dezavantaje care fac ca aceste scheme sa fie foarte rar folosite. In plus, puterea nominala a autotransformatorului trebuie sa fie cel putin de doua ori mai mare decat puterea generatorului deoarece infasurarea tertiara, pe care este cuplat generatorul, are intotdeauna o putere nominala mai mica decat cea a autotransformatorului (vezi capitolul 3).

In ceea ce priveste schemele de conexiuni ale statiilor de evacuare trebuie avut in vedere ca acestea sunt statii de tensiuni mari, cu un rol foarte important in sistem. Ca urmare, aceste statii au scheme de conexiuni cu un grad mare de siguranta. Astfel, se folosesc sheme cu doua sisteme de bare colectoare si bara de ocolire, scheme cu doua sisteme de bare colectoare si 2 intreruptoare pe circuit, scheme cu doua sisteme de bare colectoare si 1,5 intreruptoare pe circuit, scheme poligonale etc.(capitolul 5).

In finalul acestui paragraf trebuie amintite schemele de principiu ale unor centrale cu generatoare de putere mica care folosesc insa scheme bloc pentru racordarea generatoarelor la statii care sunt nu de inalta, ci de medie tensiune. Este cazul centralelor amplasate intr-o zona unde reteaua de medie tensiune disponibila are alta tensiune decat tensiunea generatoarelor (de exemplu U_retea = 20 kV si U_nG = 6,3 kV) sau al centralelor cu generatoare de mica putere care pot avea la borne o treapta de joasa tensiune. In figura 7 este prezentata schema de principiu a unei centrale cu grupuri antrenate de motoare Diesel cu puteri de ordinul a cativa megawati.

Fig. Schema de principiu pentru o centrala cu generatoare de mica putere

antrenate de motoare Diesel

PARTICULARITATI ALE CENTRALELOR HIDROELECTRICE

Schemele electrice de conexiuni ale centralelor hidroelectrice pot fi in unele privinte diferite de cele prezentate mai sus si care corespund, in general, centralelor termoelectrice sau nuclearo-electrice. Astfel, in foarte multe cazuri se folosesc scheme bloc generator - transformator chiar daca generatoarele au puteri relativ mici, pentru ca centrala este izolata, nu are in apropiere consumatori la medie tensiune si o statie de distributie la tensiunea generatoarelor nu si-ar gasi utilitatea. Adeseori este nevoie chiar de blocuri generator - transformator - linie, atunci cand statia de evacuare la care se poate racorda blocul nu poate fi amplasata in apropierea centralei.

In figura 8 sunt prezentate doua exemple de scheme de principiu pentru centrale hidroelectrice amplasate in zone izolate si dispunand de terent putin pentru transformatoare si statii.

In prima varianta de schema se foloseste un singur transformator pentru doua generatoare, in scopul reducerii numarului de transformatoare de bloc, cel mai probabil din lipsa de spatiu. Aceeasi idee de schema se mai poate folosi si atunci cand generatoarele au puteri mici si nu se realizeaza o statie la tensiunea generatoarelor ci se foloseste schema bloc generator-transformator. In acest fel se evita instalarea a prea multe transformatoare mici. In cea de-a doua varianta de schema se racordeaza doua blocuri generator transformator la o singura linie, statia de evacuare neputand fi amplasata in apropierea centralei.

Fig.8 Scheme de principiu pentru CHE care dispun de spatiu redus pentru transformatoare sau pentru statiile de evacuare

O schema aparte o au centralele cu acumulare prin pompaj, concepute ca sisteme de stocare a energiei. La aceste centrale, transformatorul de bloc are o dubla functie: sa asigure evacuarea energiei produsa de ansamblul turbina-generator in regim de generare si sa asigure alimentarea aceluiasi ansamblu in regim de pompare, cand generatorul devine motor, iar turbina - pompa. Un exemplu este prezentat in figura 9.

Fig.9. Schema de principiu pentru un bloc dintr-o centrala hidroelectrica cu acumulare prin  pompaj

SCHEME PENTRU CENTRALE CU CICLURI MIXTE ABUR-GAZE

Schemele centralelor cu cicluri mixte abur-gaze au unele particularitati tinand de procesul de producere a energiei electrice (figura 10).

Fig.10. Schema de principiu pentru partea electrica de evacuare a energiei a unei centrale termoelectrice cu ciclu mixt abur gaze

Problema esentiala este ca turbina cu gaze trebuie lansata la pornire de catre un motor si acest lucru se poate face trecand generatorul in regim de motor sincron. Ca urmare, transformatorul de bloc al generatorului antrenat de turbina cu gaze este folosit si ca sursa de alimentare la pornire a generatorului trecut in regim de motor. Pentru a se putea realiza acest lucru, intre generator si transformatorul de bloc este necesara instalarea unui intreruptor I_G care va fi folosit in etapele de pornire. Mai trebuie remarcat faptul ca generatorul antrenat de turbina cu abur este racordat printr-o schema clasica de bloc generator-transformator la aceeasi statie de inalta tensiune. In cazul pornirii folosind calea de alimentare de rezerva, cuplarea in paralel a generatorului cu sistemul se va face prin intreruptorul din statia de inalta tensiune.