1.1

Instalaii Electrice Dr. Florin POP, profesor

Cursul 1

Cap. 1 Caracteristici generale ale echipamentului electric al cldirilor

1.1 Structura instalaiilor electrice

Problematica - terminologie: echipament electric, instalaie electric, receptor electric

consumator, furnizor, sistem energetic naional instalaie de producere, transport, distribuie i utilizare

- schema de principiu a instalaiilor electrice elemente componente tensiuni utilizate - instalaii electrice la consumator gradul de dotare a cldirilor cu instalaii electrice - categorii de consumatori

Energia primar furnizat omului de ctre natur nu poate fi consumat n locul, sub

forma sau n cantitatea existent. n mod firesc este necesar transformarea, transportul i stocarea ei direct sau dup transformri intermediare. Cea mai rspndit form intermediar de

utilizare a energiei este cea electric.

Echipament electric - orice dispozitiv care asigur folosirea energiei electrice, att n

uniti globale ct i n uniti individuale, pentru producere, transport, distribuie sau utilizare.

Instalaie electric - totalitatea echipamentelor electrice interconectate ntr-un spaiu dat.

Receptor electric (plural: receptoare) - echipamentul destinat consumului energiei electrice n scop util - receptoare de lumin, de for (electromagnetice, electrotermice, electrochimice), de telecomunicaii. Consumator de energie electric (plural: consumatori) - totalitatea instalaiilor electrice ce asigur desfurarea unei activiti umane specifice - construcii civile, industriale, agricole,

staii de pompare, antiere de construcii, studiori de radio/televiziune, teatre .a.

Consumatorii se racordeaz la reeaua electric a furnizorului de energie electric (Sucursala de furnizare i distribuie a energiei electrice). Sistem ElectroEnergetic - SEE - asigur alimentarea consumatorilor prin conexiunea de o

form oarecare ntre toate elementele de producere, transport i distribuie a energiei electrice. n structura acestuia sunt cuprinse totalitatea instalaiilor de producere (centralele electrice), transport (liniile electrice de 700, 400, 220 i 110 kV, staiile de transformare) i distribuie (liniile electrice de 20, 10 i 6 kV, staiile i posturile de transformare i/sau distribuie) a energiei electrice, avnd un regim comun i continuu de producie i consum de energie electric.

1.2

Figura 1.1. Schema de principiu a instalaiilor electrice. CE central electric; SR staie de transformare ridictoare; LEA-T linie electric aerian de nalt tensiune; SC staie de transformare cobortoare; ST staie de transformare; PA punct de alimentare; PT post de transformare; LEA (LEC)JT linie electric aerian (linie electric n cablu) de joas tensiune; C cofret (firid) de branament; Wh contor de energie activ; TG, TGL, TGF tablou general, tablou general de lumin, tablou general de for.

n figura 1.1 este dat o schem general, de principiu, a instalaiilor electrice necesare alimentrii unei zone de consum. Energia electric este produs n centrale electrice - CE aflate

n apropierea surselor de energie primar, tensiunea furnizat de generatoarele electrice sincrone

fiind de 10 kV (tensiune optim de producere a energiei electrice). Pentru realizarea unui transport economic al energiei pe teritoriul rii, tensiunea este ridicat ntr-o staie de

transformare - SR la un nivel de 110, 220 sau 400 kV. Valoarea tensiunii n instalaiile de

transport este determinat de caracteristica energetic sarcindistan [MVAkm] a sistemului i influeneaz mrimea pierderilor tehnologice de energie electric n reeaua de transport.

Centralele electrice i liniile de transport sunt interconectate pe teritoriul naional; coordonarea

funcionrii acestora este realizat prin dispecerate teritoriale i dispeceratul naional. n apropierea zonei de consum, tensiunea este cobort ntr-o staie de transformare - SC la un nivel

1.3

de 110 sau 20 kV, de unde este distribuit la staiile de transformare - ST amplasate n centrele de

greutate ale subzonelor de consum. Apoi, prin intermediul unor puncte de alimentare - PA (staii de distribuie) se alimenteaz posturile de transformare - PT, n care tensiunea este din nou cobort la valoarea de utilizare a sistemului trifazat 3x380/220 V. Consumatorii sunt alimentai

prin staii de transformare (cazul ST3), cu distribuia n incint n medie tensiune sau prin posturi de transformare (cazul PT2.2), cu distribuia n incint n joas tensiune. Consumatorii casnici sunt alimentai din reeaua de distribuie de joas tensiune a furnizorului (cazul PT1.1), prin cofrete de branament.

Pierderea de putere n conductoare prin efect Joule este dat de relaia

222

2

22

cosURP

mURS

mmRIp === , (1.1)

n care m este numrul fazelor liniei electrice; R - rezistena ohmic a conductorului; S, P -

puterea aparent, respectiv activ transportat prin conducie pe o faz a liniei; U - tensiunea

liniei electrice; - defazajul ntre tensiune/curent. Se constat cu uurin importana unei tensiuni ct mai ridicate (400 kV) pentru obinerea unor pierderi ct mai reduse, la fel scderea numrului fazelor liniei electrice - egal cu 3 n sistemul de curent alternativ trifazat fr

conductor neutru (n transmisia n curent continuu se folosete un singur conductor activ, cel de-al doilea fiind pmntul), a unei rezistene ohmice ct mai sczute i a unui factor de putere - cos ct mai ridicat (valoarea neutral n sistemul energetic naional este de 0,92). Exemplu. S se compare pierderile de putere ntr-o linie trifazat de alimentare a unui consumator cu urmtoarele caracteristici: puterea transportat 5 MVA, lungimea liniei 1 km, pentru dou variante: tensiunea 110 kV, rezistena ohmic de 1,81 /km (corespunztor unui conductor de aluminiu cu seciunea de 25 mm2), respectiv tensiunea 20 kV, rezistena ohmic de 0,30 /km (corespunztor unui conductor de aluminiu cu seciunea de 95 mm2).

Soluie. Aplicarea relaiei (1.1), cu precizarea c n sistemul trifazat S = 3UI, conduce la urmtoarele valori:

P110 kV = RS2/U2 = 1,81(5000)2/(110)2=3740 W, adic 0,07%; P20 kV = RS2/U2 = 0,30(5000)2/(20)2=18.750 W, adic 0,37%. Distribuia energiei electrice la tensiunea de 20 kV conduce la o pierdere tehnologic de peste 5

ori mai mare dect dac s-ar utiliza tensiunea de 110 kV.

Instalaiile electrice la consumator sunt instalaiile ce asigur funcionarea acestuia,

sunt situate n aval fa de punctele de delimitare cu reeaua furnizorului de energie electric i se

afl n exploatarea consumatorului. Ele se pot clasifica dup destinaie:

- instalaii electrice de iluminat - normal i de siguran, interior i exterior;

- instalaii electrice de for; - instalaii de prize - de uz general, industrial;

- instalaii de telecomunicaii interioare;

1.4

- instalaii de protecie mpotriva ocurilor electrice;

- instalaii de protecie mpotriva trsnetului;

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

Gradul de dotare a consumatorilor (cldirilor) cu diferite categorii de instalaii este indicat prin normative i reglementri specifice pentru diferitele tipuri de cldiri - de locuit,

social-culturale (coli, cree i grdinie, internate i cmine, cantine i restaurante, sli de sport, sli de spectacole), administrative, industriale .a. Categorii de consumatori. Conform RFUEE - Regulamentul pentru Furnizarea i Utilizarea Energiei Electrice (PE 932), consumator este o persoan fizic sau juridic ale crei instalaii electrice de utilizare sunt conectate la reeaua furnizorului prin unul sau mai multe

puncte de alimentare prin care primete i livreaz, dac are central electric proprie, energie

electric. Dup natura consumului de energie electric, consumatorii se mpart n: consumatori

casnici care folosesc energia electric pentru iluminat i receptoare electrocasnice necesare n

propria locuin; consumatori industriali i similari care folosesc energia electric, n principal,

n domeniul extragerii de materii prime, fabricrii unor materiale sau prelucrrii materiilor prime,

a materialelor sau a unor produse agricole n mijloace de producie sau bunuri de consum i, prin asimilare, antierele de construcii, staiile de pompare, inclusiv cele pentru irigaii, unitile de

transporturi feroviare, rutiere, navale i aeriene i altele asemenea; consumatori teriari sunt

restul consumatorilor, n afara consumatorilor casnici i a celor industriali i similari.

n funcie de puterea contractat, consumatorii se mpart n mici consumatori, cu puteri contractate sub 100 kW i mari consumatori, cu puteri contractate de 100 kW sau mai mari.

n funcie de sarcina maxim de durat absorbit n punctele distincte de delimitare, marii consumatori se clasific n: clasa A - peste 50 MVA, clasa B - ntre 7,5 ... 50 MVA, clasa C -

ntre 2,5 ... 7,5 MVA, clasa D - ntre 0,1 ... 2,5 MVA (se observ c sarcina aparent de 0,1 MVA corespunde puterii active de 100 kW pentru un factor de putere unitar).

1.2 Schemele reelei de distribuie n incinta consumatorului

Problematica - sistemul de alimentare cu energie electric - extern, intern - staie de primire, punct de delimitare - terminologie: circuit, coloan, tablou de distribuie (general, secundar, principal) - tipuri de scheme (prezentare, avantaje, dezavantaje, recomandri de utilizare)

radiale - simple, n trepte cu coloane magistrale - secionate, nesecionate buclate (inelare, plas) combinate

- semne convenionale

1.5

Sistemul de alimentare a unui consumator cuprinde instalaiile electrice care asigur energia electric necesar funcionrii acestuia. Se compune din sistemul de alimentare extern -

partea SEN format din ansamblul instalaiilor electrice aflate n exploatarea furnizorului i care

sunt n amonte de punctul (punctele) de delimitare dintre furnizor i consumator i sistemul de alimentare intern - ansamblul instalaiilor de producere, distribuie i utilizare a energiei electrice

de la punctul (punctele) de delimitare la receptoarele consumatorului.

Figura 1.2 Punctul de delimitare n relaia furnizor-consumator

Punctul de delimitare figura 1.2 - este locul n care instalaiile consumatorului se

racordeaz la instalaiile furnizorului i n care acestea se delimiteaz ca proprietate. Staia de

primire este prima staie situat pe amplasamentul sau n vecintatea amplasamentului unui

consumator care ndeplinete simultan urmtoarele condiii: (a) se afl pe traseul reelelor electrice de legtur dintre furnizor i consumator; (b) prin intermediul acesteia se realizeaz nemijlocit alimentarea cu energie electric a consumatorului; (c) tensiunea primar sau tensiunea secundar a staiei este egal cu cea mai mare tensiune din instalaia de utilizare a

consumatorului. Staia de primire poate fi o staie electric de transformare sau conexiuni, un

post de transformare sau un tablou de distribuie.

Reelele electrice de joas tensiune ale consumatorului sunt constituite din totalitatea coloanelor, tablourilor i circuitelor electrice. Coloana este ansamblul elementelor conductoare

de curent (circuitul) care alimenteaz un tablou de distribuie. Tabloul de distribuie este o unitate funcional care servete concomitent la primirea i distribuia energiei electrice (n joas tensiune). Circuitul este ansamblul elementelor conductoare care alimenteaz unul sau mai multe receptoare. Coloana electric magistral este coloana care alimenteaz pe parcursul ei cel puin

dou tablouri de distribuie, n derivaie. Coloana electric colectiv este coloana din care se

alimenteaz mai muli consumatori. Coloana electric individual este coloana care servete

pentru alimentarea unui singur consumator. Tabloul general de distribuie este tabloul electric

racordat direct la reeaua furnizorului (de joas tensiune), la un post de transformare sau la o surs proprie (de joas tensiune) a consumatorului i care distribuie energia electric la alte tablouri de distribuie sau care alimenteaz direct anumite receptoare ale consumatorului. Tabloul

secundar de distribuie este tabloul de la care energia se distribuie la receptoarele

consumatorului. n funcie de complexitatea reelei de distribuie, ntre tabloul general i

Furnizor Consumator

Punct de delimitare

Staie de primire

1.6

tablourile secundare pot fi intercalate tablouri principale de distribuie alimentate din tabloul

general i care distribuie energia electric la tablourile secundare sau direct la anumite receptoare

ale consumatorului. n cadrul sistemului de alimentare intern al consumatorului se distinge reeaua de distribuie n incint, mrginit de punctul de delimitare i tablourile secundare de

distribuie.

Schemele dup care se realizeaz reelele electrice de distribuie n incint sunt: radiale,

cu coloane magistrale, buclate (inelare, plas) sau combinate. Schemele de distribuie radiale sunt utilizate pentru alimentarea unor tablouri de

distribuie de puteri relativ mari i fa de care tabloul general (principal) ocup o poziie central. Se pot realiza cu una sau dou (rareori mai multe) trepte sau n cascad, cnd la unele tablouri de distribuie se racordeaz, alturi de receptoare, i alte tablouri de distribuie.

Diagrama lineal a schemei radiale se aseamn cu ramificaiile unui copac ale crui ramuri

radiaz din trunchi (motiv pentru care aceast schem se numete i arborescent), astfel c pentru fiecare punct de consum (frunz) exist doar o singur cale proprie de alimentare cu energie electric. Schemele radiale se execut cu cabluri pozate n pardoseal (ngropate, n evi/tuburi de protecie, n canale de cabluri) sau aparent, pe elementele de construcie. Defectul aprut pe o coloan afecteaz alimentarea tablourilor i receptoarelor aflate n aval de locul

defectului, restul instalaiei fiind alimentat n continuare. Protecia i comanda coloanelor este

sigur i uor de dimensionat i reglat, fiind accesibil o conducere centralizat a operaiilor de

control. Consumul de material conductor este ns destul de ridicat iar sistemul de alimentare nu

este suficient de flexibil la schimbri ulterioare ale caracteristicilor de consum (poziie, putere). Schemele de distribuie cu coloane magistrale se folosesc pentru alimentarea unor

tablouri de distribuie de puteri relativ mici amplasate pe o aceeai direcie fa de tabloul

general. Coloanele magistrale sunt secionate (n sistemul intrare-ieire) sau nesecionate. Segmentele coloanei sau derivaiile se echipeaz cu aparate de protecie i/sau de conectare

pentru efectuarea manevrelor de exploatare. Schemele cu coloane magistrale secionate sunt

folosite la alimentarea blocurilor de locuit cu cabluri subterane, punctele de intrare-ieire fiind

amplasate n tablourile firidelor de branament (fiind astfel ferite de intemperii i lovituri mecanice). Schemele cu coloane magistrale nesecionate se execut cu bare capsulate pozate aparent, fixate pe elementele de construcie. Defectul aprut ntr-un punct al coloanei magistrale

afecteaz ntreaga instalaie aflat n aval de locul defectului. Acest dezavantaj major poate fi eliminat prin alimentarea coloanei magistrale la ambele capete. Sectorul defect se deconecteaz

n ambele pri prin acionarea protecie sau/i a ntreruptoarelor manuale respective, instalaia

1.7

Scheme radiale

Scheme cu linii principale

Scheme buclate

Schem combinat

Figura 1.3 Schemele instalaiilor electrice de joas tensiune

1.8

fiind n continuare alimentat din cele dou capete similar cu dou coloane magistrale cu

alimentare simpl. Protecia i comanda coloanei magistrale secionate este mai complex dect a

unei scheme radiale (n special n cazul alimentrii la ambele capete). Consumul de material conductor este mai sczut iar sistemul de alimentare este extrem de flexibil la schimbri

ulterioare ale caracteristicilor de consum, cu condiia ca puterea suplimentar s nu depeasc

rezerva avut n vedere la dimensionarea coloanei magistrale. Comparnd o schem radial n

cascad cu o schem cu coloan magistral secionat se constat similitudinea acestora.

Schemele de distribuie buclate se obin prin alimentarea coloanei magistrale la ambele

capete din acelai tablou general - schema inelar i realizarea unor legturi suplimentare directe

ntre tablourile componente - schema plas. Ele sunt complexe din punctul de vedere al

dimensionrii i controlului dar ofer o mare siguran i flexibilitate n alimentarea

consumatorului.

Schemele de distribuie combinate sunt utilizate n mod frecvent datorit condiiilor

practice diverse n care trebuie realizat distribuia n joas tensiune a unui consumator. Diferitele variante ale schemelor reelelor de joas tensiune se analizeaz din punct de

vedere al siguranei n funcionare, se compar ntre ele pe baza calculelor tehnico-economice, al

avantajelor pe care le implic i se alege soluia optim. Poziiile de amplasare a tablourilor de distribuie sau traseul cii magistrale se stabilesc

pe baza determinrii centrelor de greutate ale sarcinii sau a minimizrii pierderilor de putere

(energie) electric. Abaterea de la amplasamentul optim se reflect prin creterea investiiilor n materiale conductoare i a pierderilor de putere (energie).

Pentru nceput se traseaz cartograma sarcinilor electrice pe planul consumatorului ntr-

un sistem de coordinate xoy arbitrar ales. Se aplic metoda momentelor sarcinilor, coordonatele

centrului de sarcin al unui grup de receptoare determinndu-se dup legea momentelor statice,

n care forele se nlocuiesc cu sarcini electrice:

x

Px

Py

Py

P

i

n

i

n

i

n

i

n01

1

01

1

= =

( );

( ) , (1.2)

amplasamentul otpim fiind n punctul A(x0, y0). Pentru minimizarea pierderilor de putere (energie) se evideniaz faptul ca pierderea de putere este proporional cu momentul sarcinii electrice fa de punctul de alimentare Pl. Dac se introduce n relaia (1.1) rezistena electric R = l/s, puterea activ n sistem trifazat P = 3UIcos i densitatea de curent J = I/s, pierderea de putere n sistemul trifazat devine

P = 3RI2 = 3 (l/s)I(P/3Ucos) = (3J/Ucos) Pl Pl. (1.3)

1.9

Traseul optim al unei ci magistrale este acela pentru care funcia obiectiv (1.4) este minim

P x x P y ycm nn

cm n

n

= = min min1 1

; , (1.4)

calea magistral fiind trasat paralel cu axa oy ntr-un punct de abscis xcm sau paralel cu axa ox

ntr-un punct de ordonat ycm, depinde pentru care dintre acestea se obine cea mai mic valoare a

funciei obiectiv. Exemplu. ntr-o secie industrial sunt urmtoarele receptoare, cu puterea P (kW) i 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). S se determine centrul de greutate al sarcinilor i traseul de pierderi minime ale cii magistrale de alimentare. Soluie. Coordonatele centrului de greutate sunt

x0 = (0,63+ 0,63+0,63+ 0,63+226+229+2210+2214+2216)/(40,6+522) = 9,94 y0 = (0,612+ 0,610+0,64+ 0,62+225+2211+228+2210+226)/(40,6+522) = 7,98

Axa optim a coloanei magistrale are abscisa xcm = 10 corespunztoare funciei obiectiv minime de 346,8, respectiv ordonata ycm = 8,0 corespunztoare funciei obiectiv minime de 229,6. Astfel c traseul coloanei magistrale va fi paralel cu axa ox la ordonata ycm = 8,0.