Studiul protecțiilor generatoarelor sincrone și propuneri de îmbunătățire a acestora

1. Introducere

1.1.Energia

Energia este definită ca fiind capacitatea unui corp de a produce lucru mecanic. Exploatarea inteligentă şi controlul energiei determină esenţial productivitatea şi, implicit, stilul de viaţă avansat al societăţii.

Energia nu o vom găsi în natură sub formă electrică ci în alte forme ca de exemplu: combustibil fosil (cărbune, petrol şi gaz natural), radiaţii solare, sub formă nucleară, etc. Mai mult de 30% din energie este transformată în energie electrică înainte de întrebuinţare, în majoritatea cazurilor prin generatoare electrice, ce transformă energia mecanică în energie electrică.

Energia electrică reprezintă o latură a nivelului de dezvoltare a unei ţări. Resursele naturale ca de exemplu cărbunele, gazul natural şi combustibilul nuclear, sunt transformate prin combustie în energie termică din care prin intermediul unei turbine în energie mecanică. Turbina angrenează generatorul electric pentru a produce energie electrică. Căderile de apă cât şi energia eoliană sunt convertite de asemenea în energie electrică, deasemenea printr-o turbină care angrenează un generator electric. Resursele primare sunt limitate şi au efecte chimice şi termice poluante asupra mediului.

În majoritatea cazurilor energie electrică este produsă prin intermediul generatoarelor sincrone ce injectează o tensiune alternativă constantă şi o frecvenţă deasemenea constantă în sistemul regional şi naţional electric care mai apoi îl va transporta şi distribui diferiţilor consumatori electrici.

Luând în considerare creşterea anuală a consumului de energie electrică, combustibilul fosil din întreaga lume va fi terminat în câteva sute de ani[3], din acest motiv va trebui să schimbăm materia primă de energie.

Evaluarea rezervelor lumii de combustibil fosil este prezentată în tabelul 1.1.

Combustibil Rezervă estimată Densitatea energiei

Cărbune tone

937/ tonă

Petrol barili

168/ baril

Gaz natural

0,036/

Tabelul 1.1 Estimarea rezervelor de combustibil fosil [3]

Sursele de enrgie alternative trebuie să fie folosite din ce în ce mai mult, şi trebuie scăzută gradual folosirea combustibilului fosil.

O sursă de energie alternativă o reprezintă circuitul natural hidrologic. Energia potenţială a apei este transformată în energie cinetică de o turbină hidraulică ce angrenează un generator electric. Hidroputerea totală a lumii este aproximativ . Din păcate doar 9% din aceasta este folosită astăzi.

Fig. 1.1 Schema de principiu a producerii energiei electrice in hidrocentrale[3]

În majoritatea cazurilor, în hidrocentrale, se utilizează generatoare sincrone. Aceste sunt de mai multe tipuri după cum vom vedea în figura 1.2.

Fig. 1.2 Tipuri de generatoare sincrone[3]

1.2. Importanţa rolul si calitaţile protectiei

La exploatarea echipamentului pentru distribuţia energiei electrice apar regimuri de avarie sau de funcţionare anormală care sunt vătămătoare pentru însăşi instalaţiile electrice şi care produc întreruperi ale producţiei, ceea ce constituie pierderi materiale însemnate.

Pentru mărirea siguranţei în exploatare, creşterea securităţii şi asigurarea continuităţii în alimentarea cu energie electrică, se prevăd dispozitive automate de protecţie care sesizează regimurile de avarie, producând deconectarea elementelor supuse deranjamentelor sau dând semnale de avertizare, înainte ca defecţiunea apărută să devină periculoasă.

Principalele calităţi ale protecţiei, în special în condiţiile cu pericol de explozie sunt:

- rapiditatea în funcţionare, prin care se înţelege faptul că protecţia trebuie să acţioneze într-un timp atât de scurt încât regimul de avarie produs să nu cauzeze efecte dăunătoare;

- siguranţa în exploatare a protecţiei este o altă calitate deosebit de importantă, unde utilajele electrice sunt supuse unor condiţii grele de mediu şi de întreţinere. Siguranţa se realizează prin utilizarea unui număr minim de dispozitive cât mai simple şi sigure, cu un număr cât mai mic de circuite, contacte şi părţi mobile;

- protecţia trebuie să fie şi sensibilă, pentru a sesiza nu numai deranjamentele cele mai puternice, de exemplu scurtcircuitele metalice, ci şi cele mai slab exprimate – cum sunt cscurtcircuitele prin arc electric; protecţia trebuie să acţioneze atât la deranjamentele din elementul pe care-l protejează cât şi la deranjamentele din elementele apropiate, constituind pentru acestea o protecţie de rezervă;

- pentru a nu produce perturbaţii intempestive în alimentarea consumatorilor, protecţia trebuie să fie selectivă, să deconecteze numai elementele defecte ale instalaţiei fără a întrerupe funcţionarea normală a consumatorilor neafectaţi de avarie.

1.3. Protecţia prin relee a instalaţiilor electroenergetice

Protecţia prin relee a unei instalaţii electroenergetice reprezintă un ansamblu de aparate si dispositive destinate să asigure, în mod automat, deconectarea instalaţiei în cazul apariţiei unui defect sau al unui regim anormal de funcţionare, periculos pentru instalaţie, iar în unele situaţii să semnalizeze apariţia regimului normal. Protecţia prin relee constituie un domeniu important al automatizării sistemelor energetice, asigurând lichidarea rapidă a defectelor şi limitarea urmărilor pe care acestea le pot avea. Se constată, astfel, că protectia prin relee reprezinta un subsistem al sistemului complex de automatizări pentru instalatiile electroenergetice funcţionarea acesteia fiind coordonată cu funcţionarea dispozitivelor de automatizare din sistemul energetic national. (fig.1).