Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku Elektrotehnički fakultet
ANALIZA ELEKTROENERGETSKOG SUSTAVA 1. ODRŽAVANJE NAPONA U MREŽI Prof. dr. sc. Lajos JÓZSA 1
Sadržaj 1. ODRŽAVANJE NAPONA U MREŽI 1.1 Nazivni napon i odstupanja od nazivnog napona 1.2 Vremenski tok promjene napona 1.3 Pad napona 1.4 Mjere za održavanje napona u mreži 1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona 1.6 Ispravni režim napona 1.7 Održavanje ispravnog režima napona 1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže 1.9 Smanjenje jalove snage u mreži 1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage
2
1.1 Nazivni napon i odstupanja od nazivnog napona
• Nazivni napon je onaj napon, za koji je određeni element mreže konstruiran i građen. • Nazivni napon, u načelu, osigurava optimalne uvjete rada elementa mreže. • U pogonu se zahtijeva, da u svim točkama elektroenergetskog sustava, od stezaljki generatora do krajnjeg trošila, napon mora biti što bliži nazivnom naponu. • Tijekom vremena dolazi do promjene napona, pri čemu se radi o dva tipična slučaja: a) Polagane, spore promjene napona. Ove mogu biti: - predvidive (ako su ove promjene uvjetovane predvidivim promjenama opterećenja) - nepredvidive (ako dođe do poremećaja regulacije napona u cijeloj mreži ili u njenom većem dijelu) b) Nagle promjene napona. Do njih dolazi zbog naglih promjena opterećenja: - na strani potrošača: uključivanje i isključivanje trošila velike snage, pokretanje velikih motora, pogon trošila s promjenjivim opterećenjem, kratki spojevi u razdjelnoj mreži i sl. - na strani mreže: kratki spojevi, ispad generatora značajne snage, neuredna sinkronizacija generatora, uključivanje i isključivanje kondenzatorskih baterija i prigušnica, uključivanje i isključivanje jako opterećenih vodova i sl. Ovisno o uzroku smetnje, nagle promjene napona mogu biti: - rijetke - učestale s određenom periodičnošću (tzv. flickeri)
3
1.2 Vremenski tok promjene napona (1)
A - linija nazivnog napona (Un) B - krivulja napona (u(t)) C - linija srednjeg napona (Usred) a - spora promjena napona b - pojedinačna nagla promjena napona c - učestala promjena napona
Umax - najviši (linijski) napon tijekom promatranog razdoblja Umin - najniži (linijski) napon tijekom promatranog razdoblja ΔUp - apsolutna nagla promjena napona ΔUf - maksimalna apsolutna učestala promjena napona tijekom Tf Tf - trajanje pojave učestalih promjena napona 4
1.2 Vremenski tok promjene napona (2) Srednji napon Usred može se definirati na više načina: • Definicija na temelju Umax i Umin, ako nije poznata krivulja napona: ' U sred
U max U min 2
V
• Definicija kao aritmetički srednji napon kroz razdoblje promatranja T = t2 – t1, ako je poznata krivulja napona: t
U sred
1 2 u t dt T t1
V
• Srednji napon u postocima nazivnog napona: U sred %
U sred 100 Un
• Odstupanje srednjeg napona od nazivnog u postocima: U sred %
U sred U n 100 Un
5
1.3 Pad napona • Zbog toka struje, u impedanciji voda (sa zanemarenim poprečnim granama) dolazi do pada napona. V
I
1
Z
V1
V2
Iq Impedancija voda: Struja:
Z R jX I I p jI q
Ip
V
I
Vuzd
V2
Vpop
IjX
IR
Kompleksni pad napona: V IZ I p jI q R jX
I p R I q X j I p X I q R Vuzd j V pop • Kompleksni pad napona sastoji se od realnog, odnosno uzdužnog (Vuzd) i imaginarnog, odnosno poprečnog (Vpop) dijela. • Kako je u visokonaponskim mrežama reaktancija znatno veća od djelatnog otpora, u uzdužnom padu napona prevladava komponenta IqX (stvorena tokom jalove struje u reaktanciji voda), a u poprečnom padu napona komponenta IpX (stvorena tokom djelatne struje u reaktanciji voda). • U srednjonaponskim mrežama X i R su veličine istog reda, pa će u uzdužnom i poprečnom padu napona imati znatni udjel sve komponente. 6
1.4 Mjere za održavanje napona u mreži
• Pod pojmom “održavanja napona” podrazumijevaju se sve mjere koje se poduzimaju u svrhu kompenzacije promjene napona u mreži. • Jedan dio tih mjera koji se samo ograničava na probleme u svezi s iznosom napona statičke je prirode i striktno uzevši ne spada u problematiku regulacije, te se može nazvati “održavanjem režima napona”. • U zamkastim mrežama kakve su danas u pogonu, provodi se “regulacija napona u zatvorenoj petlji”, što je dinamički proces, pri čemu se vodi računa i o kutovima između napona, dakle i o faznim kutovima napona pojedinih čvorova.
• U tehničkom žargonu, međutim, i u jednom i u drugom slučaju često se govori o “regulaciji napona”.
7
1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (1) • Uzdužna regulacija napona može se primijeniti i u otvorenoj i u zatvorenoj mreži, dok poprečna regulacija ima smisla samo u zatvorenoj mreži.
8
1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (2)
Uzdužna regulacija napona: • Kod uzdužne regulacije radi se o promjeni iznosa napona, odnosno o promjeni uzdužne komponente pada napona. • Do promjene napona po iznosu dolazi zbog uzdužnih padova napona u mreži, i to pretežno zbog jalove (induktivne) komponente struje koja teče u impedancijama grana (a u mrežama za prijenos impedancije se pretežno sastoje od reaktancija). • Postavljanjem uređaja za regulaciju napona može se namjerno utjecati na iznos napona i tako vršiti njegova uzdužna regulacija (sl. a i b). Poprečna regulacija napona: • Kod poprečne regulacije napona radi se o promjeni faznog kuta napona, odnosno o promjeni poprečne komponente pada napona. • Do promjene napona u poprečnom smjeru dolazi zbog padova napona izazvanih pretežno djelatnom komponentom struje u reaktancijama pojedinih grana mreže. • I ovdje se može govoriti o namjernom utjecanju na poprečnu komponentu napona, dakle može se vršiti poprečna regulacija napona (sl. c).
9
1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (3) Uzdužna i poprečna regulacija napona kod otvorenih mreža: • Kod otvorenih (zrakastih) mreža ima smisla jedino uzdužna regulacija napona. To se radi zato, da se prevelika odstupanja od nazivne vrijednosti (koja nastaju zbog velikih padova napona) smanje i dovedu u prihvatljive granice (sl. a), naime za pojedina trošila i za pojedine elemente mreže nepovoljno je ako rade s naponom koji znatno odstupa od nazivnog. Dodatni napon je u fazi s osnovnim naponom (sl. a). • Poprečna regulacija napona u otvorenim mrežama nema nikakve svrhe, jer zakretanje napona po kutu nema utjecaja na rad elemenata mreže, odnosno trošila. Uzdužna i poprečna regulacija napona kod zatvorenih mreža: • Kod uzdužne regulacije u zatvorenim (zamkastim) mrežama dodatni napon je u fazi s osnovnim naponom. Taj će dodatni napon u zamki izazvati struju, koja će (zbog toga što se impedancija zamke sastoji uglavnom od reaktancija) biti uglavnom po faznom kutu okomita na napon koji je izaziva. Tako će dodatna struja po fazi biti uglavnom okomita i na osnovni napon, pa će tome odgovarati tok jalove snage unutar zamke koji se superponira na postojeće tokove snaga u pojedinim granama zamke. Uzdužna regulacija napona unutar zamke djeluje dakle na tokove jalovih snaga (sl. b). • Kod poprečne regulacije u zatvorenim mrežama dodaje se (npr. pomoću odgovarajućeg transformatora) poprečna komponenta napona unutar zamke. Dodatni će napon u zamki izazvati dodatnu struju, koja će - zbog pretežno reaktivnog karaktera impedancije zamke – biti uglavnom okomita na dodatnu poprečnu komponentu napona. Time će se dodatna struja praktički poklapati po fazi s osnovnim naponom. Rezultat je dakle tok djelatne snage unutar zamke, koji se superponira na postojeće tokove snaga u pojedinim granama zamke. Poprečna regulacija napona unutar zamke djeluje dakle na tokove djelatnih snaga (sl. c). 10
1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (4)
Može se dakle zaključiti: • da djelatne snage preko odgovarajućih padova napona utječu na fazne kutove napona, što znači da su djelatne snage i fazni kutovi napona međusobno povezani, odnosno • da jalove snage na sličan način utječu na iznose napona, dakle jalove su snage i iznosi napona međusobno povezani.
11
1.6 Ispravni režim napona • Pod ispravnim režimom napona u mreži smatra se takvo pogonsko stanje u kojem iznosi napona ne odstupaju previše od nazivne vrijednosti. Tablica prikazuje štetne posljedice prevelikog odstupanja napona u slučaju nekih elemenata mreže i nekih potrošača. napon prenizak
previsok
mrežni elementi vodovi
veći gubici u bakru
veće naprezanje izolacije
transformatori
veći gubici u bakru
veće naprezanje izolacije veći gubici u željezu
asinkroni motori
veći gubici u bakru smanjenje prekretnog momenta smanjenje brzine povećanje struja
veći gubici u željezu
žarulje
manji svjetlosni tok
kraća životna dob
fluorescentne cijevi
smetnje pri paljenju (0,85 Un) kraća životna dob
električna grijalica
željena se temperatura sporije uspostavlja
opasno pregrijavanje
radio i TV aparati
loš zvuk i slaba slika
kraća životna dob
potrošači
• Odstupanja imaju uzrok u padu napona u pojedinim dijelovima mreže. Pad napona se mijenja zbog promjenljivosti opterećenja. 12
1.7 Održavanje ispravnog režima napona Režim napona može se održavati u dozvoljenim granicama: • Bez posebnih uređaja za regulaciju: Ovo je moguće ako je mreža dovoljno dimenzionirana (sl.a), ali pri tome ipak dolazi do promjena napona kod potrošača. Evidentna je ušteda na investicijama za regulacijske uređaje, ali ovo se primjenjuje kod manjih mreža. • Sa uređajima za regulaciju: Na ovaj način promjene napona mogu se smanjiti na minimum, što svakako rezultira boljim radom trošila, a isto tako može se uštedjeti na investicijama za mrežu, te na gubicima u pogonu koji su manji. Ovo se primjenjuje kod većih mreža (sl. b).
• Ispravni režim napona može se održati: - vršenjem regulacije napona na elementima mreže, - smanjenjem jalove snage u mreži.
13
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (1) • Regulacija napona može se vršiti na raznim elementima u mreži, kako je to prikazano na slici:
14
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (2) Regulacija napona na generatoru (1)
15
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (3) Regulacija napona na generatoru (2) • Gledajući u užem smislu, na generatoru postoji mogućnost samo uzdužne regulacije napona. Regulacija napona po iznosu postiže se većom ili manjom uzbudom, dakle promjenom jakosti struje u uzbudnom krugu uzbudnika. Time se znatno olakšava regulacija, koja je praktički kontinuirana. Opseg regulacije obično je ±5 % u odnosu na nazivni napon generatora, koji je pak redovito za 5 % viši od nazivnog napona mreže. Regulacija napona na generatoru bez daljnjega se može vršiti pod teretom i uvijek stoji na raspolaganju. • Gledajući u širem smislu, može se reći da generator ima i mogućnost poprečne regulacije, time što se djeluje na punjenje pogonske turbine. Ako se poveća punjenje turbine, ubrzat će se rotor generatora dok se ne postigne veći kut ispred okretnog polja statora. Budući da je za položaj rotora vezan položaj vektora unutarnjeg napona, to ovo ima iste posljedice kao zakretanje unutarnjeg napona generatora po faznom kutu. Generator se, međutim, ne koristi za poprečnu regulaciju napona, već promjena punjenja turbine ima primjenu u regulaciji frekvencije, odnosno djelatne snage. • Ako sinkroni stroj radi sam na vlastitu mrežu, promjena uzbude djelovat će na iznos napona, dakle tada se može govoriti o regulaciji napona. • Ako generator radi na krutu mrežu (na mrežu beskonačno velike snage u odnosu na vlastitu snagu), promjena uzbude neće promijeniti iznos napona, jer taj iznos čvrsto drže ostali generatori i mreža. Promijenit će se samo tok jalove snage, jer se promatrani stroj stvarno nalazi u zatvorenoj zamci, koja se zatvara preko zvjezdišta svih generatora koja se smatraju međusobno spojenima. U ovom slučaju umjesto “regulacije napona” opravdanije je govoriti o “regulaciji uzbude i jalove snage”. 16
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (4) Regulacija napona na transformatoru (1) • Regulacija napona na transformatoru vrši se promjenom broja zavoja, tako da se na nekom namotu uzme veći ili manji broj zavoja. Obično se takva regulacija vrši na namotu višeg napona, koji ujedno redovito predstavlja primarni namot. • Mijenjanje broja zavoja može se vršiti: - u beznaponskom stanju (dakle kod potpuno iskopčanog transformatora), pri čemu se govori o transformatoru s odvojcima; - pod teretom (dakle transformator je ne samo ukopčan nego i opterećen), pri čemu se govori o regulacijskom transformatoru.
17
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (5) Regulacija napona na transformatoru (2) • Mijenjanje broja zavoja u beznaponskom stanju ustvari se i ne smatra regulacijom. Danas se uglavnom svi distributivni transformatori (35/10 kV, 20/0,4 kV, 10/0,4 kV) grade s odvojcima na primaru (obično ±5 %), koji se mogu udesiti prije ukapčanja transformatora. Napon jednak nazivnom priključuje se na srednji odvojak. Povećanje broja primarnih zavoja uz nepromijenjeni napon primara smanjuje napon po jednom zavoju, te se smanjuje sekundarni napon. Odgovarajućom promjenom odvojaka takvih transformatora mogu se izjednačiti samo nejednakosti napona zbog njihove različite lokacije u mreži. Time se na osnovi očekivanih, i o opterećenju ovisnih, promjena primarnog napona osigurava napon unutar dozvoljenih granica duž 10 ili 0,4 kV-ne mreže na sekundaru. • Mijenjanje broja zavoja pod teretom moguće je kod regulacijskih transformatora, koji se koriste pri transformaciji s visokog na visoki i s visokog na srednji napon. Ti su transformatori snabdjeveni posebnom preklopkom u tu svrhu. Opseg regulacije obično iznosi ±15 %, ali se ide i na manji opseg do ±10 %, pa i na veći do ±20 %. Premali opseg regulacije ima tu manu, što regulacijska sklopka (koji je skup uređaj) nije dovoljno iskorištena. Kod vrlo velikog opsega regulacije dolazi do prevelikog zasićenja u željezu, odnosno do preslabo iskorištenog magnetskog kruga. Regulacija se vrši u stupnjevima, pa se prema tome napon mijenja na skokove. Uobičajen je skok u jednom stupnju oko 1,5%, ali su i tu mogući skokovi između 1% i 2%. Premali skok zahtijeva veći broj položaja preklopke, dakle veći broj kontakata na njoj, što poskupljuje preklopku. Prevelik skok dovodi do prenaglih promjena napona, na što su neka trošila osjetljiva.
18
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (6) Regulacija napona na transformatoru (3)
Regulacijska preklopka može biti smještena: • u zvjezdištu transformatora, gdje se može jednostavnije izvesti, jer tu između tri faze nema napona, pa je lakše tri pola preklopke međusobno izolirati, i čitava je izvedba preklopke potpuno kompaktna; • na faznim priključcima, što je potrebno ako iz bilo kojeg razloga nije moguće smjestiti preklopku u zvjezdište (npr. kod štednog spoja transformatora), pa se u tom slučaju preklopka izvodi s tri odvojena pola.
19
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (7) Regulacija napona na transformatoru (4) • Regulacija s preklopkom može se vršiti: - u istom kotlu, gdje se vrši i transformacija, pri čemu se radi o transformatoru kod kojeg se glavni i regulacijski namot nalaze u istom kotlu; - odvojeno u posebnom kotlu, pri čemu je regulacijski namot (obično u štednom spoju ako se radi o uzdužnoj regulaciji) smješten u posebnom kotlu.
20
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (8) Regulacija napona na transformatoru (5) Regulacija na transformatoru može biti uzdužna i poprečna (slika na prethodnom slajdu).
• Kod uzdužne regulacije broj zavoja mijenja se na istom namotu. Određenom osnovnom broju zavoja, koji daje osnovni napon, regulacijom se dodaje ili oduzima još neki broj zavoja, čime se osnovni napon povećava ili smanjuje. • Kod poprečne regulacije osnovnom naponu se dodaje regulacijski dio napona, koji stoji okomito na osnovni napon. Prema smjeru tog dodatnog napona, vektor napona se zakreće u smjeru pozitivnog ili u smjeru negativnog kuta. Kod trofaznog transformatora ovaj dodatni poprečni napon dobije se tako da ako se npr. za osnovni napon ima fazni napon faze R, onda se za proizvodnju poprečnog napona uzme dio linijskog napona S – T. Poprečna regulacija napona postavljanjem posebnih transformatora u tu svrhu (s prijenosnim omjerom 1:1), čime bi se moglo utjecati na raspodjelu djelatnih snaga u granama zatvorene petlje, razmjerno se malo koristi. Postoje slučajevi u praksi, gdje npr. transformatori 220/110 kV imaju i uzdužnu i poprečnu regulaciju, pa se tako može utjecati na raspodjelu snaga u 220, odnosno 110 kV-nim vodovima.
21
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (9) Regulacija napona na transformatoru (6) Regulacijska preklopka ima posebnu problematiku, koja se sastoji u slijedećem: • Kod prelaska kontaktnog prsta od jednog na drugi odvojak, ne smije se spoj s prvim odvojkom prekinuti prije nego se uspostavi spoj s drugim odvojkom, jer bi u tom slučaju došlo do galvanskog prekida glavnog strujnog kruga. Struja bi tu ipak tekla dalje, i to preko električnog luka, što bi razorilo taj dio preklopke. Također se ne smije uspostaviti spoj s drugim odvojkom dok još traje spoj s prvim odvojkom, jer bi u tom slučaju dio namota između prvog i drugog odvojka došao u kratki spoj. Zbog velike struje kratko spojenog dijela namota, taj bi dio namota izgorio.
22
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (10) Regulacija napona na transformatoru (7)
• Ovaj se problem rješava pomoću dvostrukog kontaktnog prsta da se spoj ne bi prekidao, pri čemu se u krug kratko spojenog dijela namota umeće otpornik ili prigušnica, što smanjuje struju kratkog spoja na tako malu vrijednost da kroz kratko vrijeme dok traje prekopčanje, ne dođe do oštećenja. • Rješenje s prigušnicom je povoljnije jer u njoj nema gubitaka kao u otporniku. Osim toga, prilikom prijelaza s jednog kontakta na drugi, u srednjem položaju kad je svaki kontaktni prst na drugom kontaktu, zbog djelovanja prigušnice, dobiva se napon koji odgovara sredini između jednog i drugog odvojka, čime se dobivaju manji skokovi. • Otpornik i prigušnica dimenzionirani su na kratkotrajni pogon, pa se treba pobrinuti, da regulacijski uređaj ne stane negdje usput, ne završivši potpuno regulacijski ciklus, čime bi stanje s kratkim spojem dijela namota trajalo duže vremena. To se postiže mehanizmom preklopke koji se obično pokreće navinutom oprugom.
23
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (11) Regulacija napona na vodu (1) • Zahvatima na vodu s ciljem promjene parametara može se također vršiti regulacija napona, odnosno utjecati na režim napona. Ti su zahvati sljedeći: - promjena broja vodova - promjena valnog otpora voda - upotreba serijskih kondenzatora
24
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (12) Regulacija napona na vodu (2) • Promjena broja vodova odnosi se na slučaj kada se ima više paralelnih vodova između dvije stanice. U pogonu može se mijenjati broj vodova, npr. kod velikog tereta ukopčat će se svi raspoloživi vodovi u svrhu smanjenja pada napona zbog induktivnih struja, a kod malog tereta iskopčat će se svi vodovi osim jednog da bi se smanjio Ferrantijev efekt (ne samo u vodu nego i u transformatoru ispred voda). Treba napomenuti da je promjena parametara voda na ovaj način previše gruba, a osim toga više paralelnih vodova samo u svrhu regulacije napona rijetko se koristi jer bi to bilo neekonomično. Ali veći broj paralelnih vodova ima prednosti s drugih aspekata: stabilnost, pouzdanost opskrbe pri trajnom kvaru, smanjenje gubitaka i sl.
• Promjena valnog otpora voda je u stvari prilagođenje prirodne snage voda snazi prijenosa. Vrši se postavljanjem porednih prigušnica, kondenzatora, odnosno sinkronih kompenzatora duž voda. Poredne prigušnice smanjuju poprečni kapacitet voda, pa tako povećavaju valni otpor i smanjuju prirodnu snagu, sukladno poznatim izrazima: L1 U2 Zv ; Pnat C1 Zv Poredni kondenzatori djeluju suprotno. Tako je za opterećenja manja od prirodne snage povoljno priključiti prigušnice, a za opterećenja veća od prirodne snage poredne kondenzatore. Sinkroni kompenzatori – ovisno o stanju njihove uzbude - mogu preuzeti obje uloge. Preuzbuđeni djeluju kao kondenzatori, poduzbuđeni kao prigušnice. 25
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (13) Regulacija napona na vodu (3) • Serijski kondenzator
26
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (14) Regulacija napona na vodu (4) • Serijski kondenzator ugrađuje se kod kraćih vodova na 2/3 dužine, a kod dužih vodova na više mjesta jednoliko raspoređeno. Uloga kondenzatora je da smanji reaktanciju voda, pa da tako smanji i pad napona na vodu. Obično se induktivitet kompenzira samo djelomično. • Serijski kondenzatori u pogledu režima napona dolaze naročito do izražaja ako struja u vodu ima veliku induktivnu komponentu, jer induktivna komponenta u reaktanciji voda stvara uzdužni pad napona. Ako je struja u vodu praktički čisto djelatna, onda će serijski kondenzator smanjiti poprečni pad napona, a to je veoma korisno za poboljšanje stabilnosti. • Ustvari, pomoću serijskih kondenzatora ne vrši se regulacija napona, nego njihovo postojanje trajno smanjuje pad napona. To je njihova velika prednost, jer ne treba vršiti manipulacije u pogonu, a režim napona ostaje povoljan i bez naglih - makar i malih – skokova do kojih bi inače dolazilo u slučaju postojanja regulacijskih uređaja. • Struja voda koja teče kroz serijski kondenzator izaziva u njegovoj kapacitivnoj reaktanciji (negativni) pad napona, koji je to veći, što je struja voda veća. Toliki napon mora izdržati izolacija između obloga kondenzatora, pa se ta izolacija dimenzionira prema najvećoj pogonskoj struji u vodu. • Međutim, u slučaju kratkog spoja negdje u mreži, struja će biti višestruko veća i to izolacija neće izdržati. Naravno bilo bi preskupo graditi kondenzatorsku bateriju s izolacijom, koja bi toliki napon izdržala (jer deblja izolacija još i smanjuje kapacitet). Problem je riješen tako da se kondenzator premosti paralelnom sklopkom, koja reagira na veličinu struje u vodu. Ipak ta sklopka prekasno djeluje, jer prođe nekoliko stotinki sekunda, dok proradi zaštitni relej i sama sklopka. • Zbog toga se paralelno sklopki postavlja iskrište, na kojem će doći do preskoka čim napon poraste, pa će kondenzator biti sačuvan. Kasnije će sklopka automatski ukopčati i preuzeti struju od iskrišta, gdje će se električni luk ugasiti. 27
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (15) Regulacija napona kod potrošača (1) • Kako do promjene iznosa napona dolazi zbog pada napona uslijed induktivne struje u reaktanciji voda, smanjenjem induktivne struje potrošača poboljšat će se režim napona. Smanjenje induktivne struje može se postići postavljanjem porednih kondenzatora na kraj voda. Ovo se u tehničkoj praksi zove kompenzacija jalove snage potrošača. • Promjenom jalove snage na kraju voda može se utjecati na iznos napona tako, da se može ne samo smanjiti induktivna snaga, nego se namjerno može prenositi i kapacitivna snaga, što će još više povisiti napon na kraju voda (kod potrošača). Npr. u kružnom pogonskom dijagramu dani su iznosi napona na početku i kraju voda, za koje želimo da budu konstantni. Prema tome pogonska točka mora ležati na ucrtanoj kružnici. Ako je teret na kraju voda definiran točkom M, mora se dodati kapacitivna jalova snaga u iznosu jednakom MM’ da se uz konstantni napon na početku održi željeni napon na kraju. Ako se na početku regulira napon ili ako se dozvole kolebanja napona na kraju, onda je dakako za održanje naponskih prilika potrebna manja jalova snaga.
28
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (16) Regulacija napona kod potrošača (2) • Kompenzacija jalovih snaga kod potrošača (ili kako se još zove: popravak faktora snage) može se shvatiti i tako, da se tok jalovih snaga u mreži svodi na najmanju moguću mjeru, a da se izvori napajanja jalovom snagom što više približe mjestu potrošnje. To se postiže ako se kod samog potrošača provodi pojedinačna ili grupna (centralna) kompenzacija ugradnjom porednih kondenzatorskih baterija. • Vektorski dijagram kompenzacije u odnosu na mjesto ugradnje kondenzatorskih baterija dan je na sl. a: S1
S1 S
Q1
a)
QC
b)
S2
2 1
QC
Q1
Q2
2
S2 S P
1
P1
P
Q2
P2 P1 P
• Za popravak faktora snage od cosφ1 na cosφ2 i smanjenje prividne snage od S1 na S2 potrebna je jalova snaga kondenzatora QC = Q1 – Q2 (sl. a), odnosno:
Qc P tan 1 tan 2 • Ako se pri istoj prividnoj snazi potrošača S želi povećati djelatna snaga potrošača s P1 na P2 = P1 + ΔP, to se postiže kompenzacijom u iznosu (sl. b):
Qc P1 tan 1 P2 tan 2 29
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (17) Regulacija napona kod potrošača (3) • Ako se želi uz poznati potrošak jalove energije Wq (očitan na brojilu jalove energije) naći potrebnu snagu QC kondenzatora koji treba ugraditi da se postigne određeni srednji (obračunski) faktor snage cosφ2 za vrijeme t pogonskih sati, ona se može izračunati iz relacije:
QC
Wq W tan 2 t
gdje je W djelatna energija očitana na brojilu.
30
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (18) Regulacija napona kod potrošača (4) • Za regulaciju napona ugradnjom kondenzatora kod potrošača postoje – kao što je rečeno – dvije varijante koje su sa stanovišta mreže istovjetne. Razlikuju se po mjestu ugradnje kondenzatorske baterije. To su: - pojedinačna kompenzacija (sl. a) - grupna (centralna) kompenzacija (sl. b)
31
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (19) Regulacija napona kod potrošača (5) • Na slici a) kondenzatorska je baterija ugrađena uz samo trošilo čime se ostvaruje pojedinačna kompenzacija. Tu je ne samo mreža, već i grana A – B rasterećena većeg dijela (ili čak cjelokupne) jalove snage QL. Isključenjem trošila isključuje se i kondenzator, pa neće biti opasnosti od prekompenzacije. Ovaj način smještaja kondenzatora bit će pogodan za trošila, koja imaju izuzetno loš faktor snage (fluorescentne, živine i natrijeve svjetiljke) i kojima je osim toga, jalova snaga konstantna (električne pumpe s približno konstantnom visinom pumpanja, ventilatori u jednolikom režimu rada). Mana ovog načina je veliki instalirani kapacitet kondenzatora, neaktivan dok je trošilo isključeno. Ako je QL promjenljivo (a to je čest slučaj), uz konstantni QC dolazi povremeno do podkompenzacije (razdoblje kad je QL > QC) i do prekompenzacije (razdoblje kad je QL < QC). Kada su te razlike velike, treba poduzeti mjere da se QC prilagodi QL, tj. da se QC regulira po unaprijed zadanom kriteriju. • Pojedinačna je kompenzacija asinkronih motora ekonomična kad je motor u stalnom pogonu, a za priključak kondenzatora nisu potrebne posebne sklopke i osigurači. Snaga priključenog kondenzatora odabire se prema jalovoj snazi praznog hoda motora, a da sigurno ne dođe do prekompenzacije, odabire se kondenzator koji ima za 10% manju snagu od jalove snage koju motor preuzima u praznom hodu. Za trofazni motor vrijedi:
Qc 0,9 I 0U 3 103
kVAr
gdje je: I0 – struja praznog hoda motora [A] U – linijski napon mreže [V] 32
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (20) Regulacija napona kod potrošača (6) • Na slici b) prikazan je slučaj grupne (centralne) kompenzacije. Radi se o kompenzaciji većeg broja sličnih trošila - npr. grupe motora ili grupe fluorescentnih cijevi – (grupna kompenzacija) ili o kompenzaciji cijelog pogona (centralna kompenzacija). Tu je potreban manji ukupni kapacitet kondenzatora (zbog faktora istovremenosti), pa je rješenje jeftinije, pogotovo ako je predviđena i regulacija. Svrha je takve kompenzacije rasterećenje pojne mreže do mjesta ugradnje kondenzatora. Iza mjesta ugradnje kompenzacije ne poboljšava se time ništa. Dakle mana je što je prijenosni vod A – B opterećen punom jalovom snagom QL uz odgovarajući pad napona i vod A – B mora biti strujno dimenzioniran za prijenos ukupne prividne snage S > P. • Da bi se snaga kompenzacije mogla prilagoditi momentanom opterećenju potrošača, redovito nije dovoljno da se kondenzatori ručno uklapaju i isklapaju, već je prilagođivanje potrebno provesti automatskim uklapanjem grupa kondenzatorskih baterija. Dakle regulacija jalove snage kondenzatorskim baterijama moguća je jedino u skokovima, na način da se cijela kondenzatorska instalacija podijeli u nekoliko jedinica, od kojih se po potrebi veći ili manji broj priključuje na mrežu. Veći broj manjih jedinica poskupljuje instalaciju, ali omogućuje finije prilagođavanje.
33
1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (21) Regulacija napona kod potrošača (7) • Primjer automatske regulacije grupne (centralne) kompenzacije:
Na sabirnice su priključena trošila i tri grupe kondenzatorskih baterija (sl a). Sklopke baterija vezane su na uređaj R koji ih automatski uklapa i isklapa u ovisnosti o nekoj graničnoj veličini preuzimane jalove snage. Kad npr. preuzeta induktivna jalova snaga dostigne 35 kVAr (sl. b), automatski proradi i uklapa pojedine grupe kondenzatora. Kad opterećenje poraste do točke A, uključuje se I grupa kondenzatora od 50 kVAr i radna točka pada u B. U trenutku kad uslijed daljeg porasta opterećenja potrošnja jalove snage opet dostigne 35 kVAr (točka C), uklapa se II kondenzatorska grupa od 100 kVAr i pogonska točka premješta se u D. Time nastaje prekompenzacija, pa dolazi do automatskog isklapanja grupe I. Ako tada opterećenje naraste do točke E, ponovno se uklapa grupa I, itd., sve dok opterećenje ne naraste toliko da su uklopljene sve tri kondenzatorske baterije. Pri padu opterećenja teče isklapanje sličnim redom. Prvo isklapanje nastaje kad prekompenzacija dostigne točku K’, itd. Ovakva se kompenzacija može provesti bilo na viso34 kom, bilo na niskom naponu.
1.9 Smanjenje jalove snage u mreži (1) Naponske prilike i tokovi jalovih snaga (1) • Kako je već ranije navedeno, tokovi jalovih snaga u mreži i naponske prilike čvrsto su međusobno povezani: smanjivanjem jalove snage povećava se napon i obratno. • Osim trošila i sami elementi mreže (vodovi, transformatori) doprinose bilanci jalovih snaga, i to u poprečnim granama ovisno o naponu, a u uzdužnim granama ovisno o struji. • Trošila, vodovi (u njihovim uzdužnim induktivnim reaktancijama) i transformatori za svoj rad trebaju induktivnu jalovu snagu, a vodovi sa svojim pogonskim kapacitetima generiraju upravo takvu snagu. • Pri tome, međutim, nema ravnoteže između proizvedene i potrošene jalove snage: uz pretpostavku konstantnog napona, vodovi će generirati konstantnu induktivnu jalovu snagu, dok će trošila i transformatori – u skladu s dnevnim dijagramom opterećenja – trošiti tijekom vremena različitu jalovu snagu. Obično je potrošnja jalove snage elemenata mreže veća od generirane jalove snage vodova, ali u dijelovima mreže u nekim posebnim pogonskim uvjetima može se pojaviti i obrnuti slučaj. Kompenzacija kod potrošača iz ekonomskih razloga ne obuhvaća svu potrebnu jalovu snagu, već njen manji ili veći dio, što prvenstveno ovisi o tarifnim odnosima. Prema tome, razliku moraju proizvesti generatori u elektranama, što znači da se u mreži pojavljuje tok jalove snage od izvora prema potrošačima jalove snage. • Kako tokovi jalove snage prouzrokuju padove napona u mreži, treba ih smanjiti na najmanju moguću mjeru. To će se postići tako, da se jalova energija pogodnim sredstvima odnosno uređajima (porednim statičkim kondenzatorskim baterijama, sinkronim kompenzatorima i porednim prigušnicama) generira neposredno u onoj točki mreže gdje je potrebna, i to upravo uz željenu snagu. 35
1.9 Smanjenje jalove snage u mreži (2) Naponske prilike i tokovi jalovih snaga (2) • Vektorskim dijagramom na sl. a prikazan je primjer promjene napona na visokonaponskom vodu nakon kompenzacije. Indukduktivna jalova struja Iq djelomično je kompenzirana strujom IC. Time se ukupna struja smanjila od I na I’, a razlika apsolutnih vrijednosti napona od U1 na U2. Ovo je dakle slučaj kada je potrošnja jalove snage u vodu
QV 3I 2 X L 3I 2L veća od generirane jalove snage 2
V2 U2 U 1 QC 3 3 U 2C XC 3 XC XC odnosno QV > QC. • Na sl. b prikazan je primjer znatne prekompenzacije, čak tolike da je napon U2 na kraju voda veći od napona U1 na njegovu početku (slučaj kada je QV < QC). • Ako je QV = QC, prenosi se samo djelatna snaga, koja odgovara prirodnoj snazi (Pnat) voda. 36
1.9 Smanjenje jalove snage u mreži (3) Naponske prilike i tokovi jalovih snaga (3) • Budući da su u mrežama vrlo visokih napona (400 kV i više) posrijedi tokovi velikih jalovih snaga u vodovima, koji su ovisni o opterećenju, posebno se postavlja problem njihove kompenzacije. • Na slici su nacrtane za nadzemni vod 220 kV i 400 kV, duljine 100 km, potrebe jalove snage u ovisnosti o omjeru P/Pnat, tj. o omjeru snage opterećenja (P) i prirodne snage voda (Pnat). • Npr. neopterećeni vod 400 kV traži oko 55 MVAr kapacitivne jalove snage, dok opterećen snagom koja je za 50% veća od prirodne snage traži oko 70 MVAr induktivne snage.
37
1.9 Smanjenje jalove snage u mreži (4) Naponske prilike i tokovi jalovih snaga (4) • Kako neopterećeni ili slabo opterećeni visokonaponski vod djeluje kao kondenzator i proizvodi velike induktivne jalove snage koje teku u mreži, može doći u pojedinim točkama do nedopuštenog povišenja napona. • Najpovoljnije je ako ove snage mogu preuzeti poduzbuđeni generatori u elektranama, ali to često nije moguće zbog nepovoljne (daleke) lokacije elektrana i/ili zbog ograničene mogućnosti da generatori rade u poduzbuđenom području. • U takvim se slučajevima u prikladne točke mreže priključuju poredne priušnice. • Kada su visokonaponski vodovi jako opterećeni, mora postojati mogućnost da dobiju induktivnu jalovu snagu potrebnu da ne bi došlo do prevelikog gubitka napona ili čak do naponskog sloma i ispada sustava. • U takvim prilikama sustav mora raspolagati rezervnim izvorima induktivne jalove snage koji mogu odmah intervenirati. I u ovom je slučaju najpovoljnije ako traženu jalovu snagu mogu dati generatori u elektranama. • Ukoliko to iz bilo kojeg razloga nije moguće, treba u mreži izgraditi kompenzacijske uređaje. Redovito se u takvim slučajevima ne mogu upotrijebiti kondenzatorske baterije, ili se mogu upotrijebiti samo djelomično, jer su promjene potrošnje suviše brze (pa bi prilagođavanje kondenzatorima bilo nemoguće). Stoga treba ugraditi sinkrone kompenzatore odgovarajuće snage koji su, istina, skuplji od kondenzatora, ali imaju veliku prednost što je regulacija njima brza i kontinuirana i što mogu preuzeti ulogu prigušnice. Kako bi se izbjegla upotreba skupih rotacijskih strojeva, danas se nastoji riješiti problem elastične kompenzacije u mrežama pomoću statičkih kompenzatora koji koriste elemente energetske elektronike. 38
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (1)
Sredstva za kompenzaciju jalove snage dijele se na rotirajuće i statičke. Rotirajuće naprave: • sinkroni generatori • sinkroni motori • sinkroni kompenzatori Statičke naprave: • kondenzatori • prigušnice • statički kompenzatori
39
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (2) Rotirajuće naprave (1) Sinkroni generatori i motori: • Za sinkrone strojeve općenito vrijedi da preuzbuđeni djeluju kao kondenzatori, a poduzbuđeni kao prigušnice. • Građeni su i eksploatirani prema potrebama za djelatnom snagom, pa njihovo mjesto u mreži, s gledišta kompenzacije, često nije najpovoljnije. • Generatori građeni za niži nazivni faktor snage (dakle oni koji su u stanju proizvoditi više jalove snage) su skuplji, pa prilikom narudžbe treba utvrditi, među ostalima, i njihovu ulogu u mreži kao proizvođača jalove snage. • Ako stroj uz djelatnu proizvodi i jalovu snagu, gubici su naravno veći. Pri punom nazivnom opterećenju gubici u generatoru iznose 7...13 kW/MVAr. • U poduzbuđenom stanju generator radi rjeđe. Mogućnost proizvodnje jalove snage u takvom stanju daleko je manja nego u naduzbuđenom području. Preniska uzbuda može imati za posljedicu nestabilan rad stroja i preveliko ugrijavanje. • Generator kao izvor jalove snage ne traži nikakvo posebno održavanje i nadzor, te je glavni dobavljač induktivne jalove snage u sustavu. • Sinkroni motori kao sredstva za kompenzaciju naravno ne dolaze u obzir u mreži, već u industrijskim pogonima koji koriste te motore. Tu se može osim kondenzatorima, kompenzacija vršiti vrlo ekonomično i preuzbuđivanjem sinkronih motora. Prednosti su takve kompenzacije vrlo mali pogonski troškovi, te njena brza i kontinuirana regulacija.
40
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (3) Rotirajuće naprave (2) Sinkroni kompenzatori: • Sinkroni kompenzator je u stvari sinkroni motor u praznom hodu koji je građen samo za proizvodnju jalove snage. • Nazivna snaga stroja odgovara mogućnosti proizvodnje jalove snage u preuzbuđenom stanju. • Poduzbuđen stroj u ulozi prigušnice može dati samo oko 60...70% nazivne snage. • Za pokrivanje mehaničkih i električnih gubitaka kompenzator uzima iz mreže djelatnu snagu u iznosu od 1...2% nazivne snage. U većim jedinicama gubici su procentualno manji. • Sinkroni kompenzatori su vezani na tercijarni namot mrežnog transformatora, najčešće napona 10 kV, te s obzirom na to da su ugrađeni u čvorištima mreže, izgrađeni su redovito za montažu na otvorenom. • Usporede li se sinkroni kompenzatori s kondenzatorima može se reći da su specifične investicije, gubici i održavanje kompenzatora veći nego za kondenzatore, no glavna im je prednost da se njihovo opterećenje može brzo i kontinuirano regulirati u velikom opsegu od kapacitivnog do induktivnog područja. Osim toga za vrijeme poremećaja u sustavu i jakih sniženja napona, kad je jalova snaga najpotrebnija, snaga kondenzatora pada s kvadratom napona, dok sinkroni kompenzator može održati nominalnu snagu u dosta širokim granicama napona.
41
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (4) Statičke naprave (1) Kondenzatori (1): • Električni kondenzator najčešće i najraširenije je sredstvo za kompenzaciju induktivne jalove snage. U današnje se elektroenergetske mreže ugrađuju kondenzatori za znatne snage i s mogućnošću priključka do najviših naponskih nivoa. • Takve zahtjeve, naravno, ne može ispuniti jedan kondenzatorski element, već je potrebno vezati veći broj manjih elemenata, prema potrebi, paralelno (za postizanje tražene struje odnosno snage) i u seriju (za više napone), te složiti ih u bateriju. • Kondenzatorski element ima oblik limene kutije s jednim, dva ili tri provodna izolatora, prema tome da li je izveden jednofazno s priključkom na kutiju, jednofazno izolirano ili trofazno. • Redovito se kondenzatori za kompenzaciju na niskom naponu grade kao trofazni elementi za unutarnju montažu, a visokonaponski u jednofaznoj izvedbi za ugradnju na otvorenom – no to nije pravilo. • Danas se kondenzatorski elementi za visoki napon grade do snaga od nekih 200 kVAr i maksimalni napon 10...12 kV. • Ni sami elementi kondenzatorske baterije nisu građeni kao jedan kondenzator, već kao skup serijski i paralelno vezanih kondenzatorskih smotaka. Smotku čine dvije trake od aluminijske folije ili metaliziranog papira, izolirane papirom, papir-propilenom ili nekom plastičnom izolacijom. Smotke su prije bile uronjene u izolacijsko mineralno ulje, a danas se upotrebljavaju klorirani ugljikovodici. 42
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (5) Statičke naprave (2) Kondenzatori (2): • Između snage QC jednofaznog kondenzatora i njegovog kapaciteta C postoji odnos:
QC U 2C gdje je U nazivni linijski napon, a ω kružna frekvencija. • Za trofazne kondenzatore vrijedi:
QC 3U 2f C gdje je Uf nazivni fazni napon. • Gubici u kondenzatoru su mali i kreću se od 0,1 do 0,7% nazivne snage kondenzatora. • Poredni kondenzatori moraju biti dimenzionirani za maksimalni pogonski napon na mjestu ugradnje i zaštićeni protiv velikih struja. • Kod sklapanja kondenzatora treba paziti da ne dođe do opasnih prenapona i velikih struja. Osobito se velike struje izjednačenja javljaju prilikom paralelnog uklapanja kondenzatora na kondenzatore koji su u pogonu. Prekidači za sklapanje kondenzatora moraju biti posebne konstrukcije da bi mogli isklapati kapacitivne struje.
43
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (6) Statičke naprave (3) Kondenzatori (3): • Slika prikazuje četiri elementa jednofaznih visokonaponskih kondenzatora snage 50, 100, 150 i 200kVAr.
44
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (7) Statičke naprave (4) Prigušnice: • Prigušnice za kompenzaciju kapacitivnih jalovih snaga vodova vrlo visokih napona (400 kV i više) građeni su slično kao transformatori, ali na željeznoj jezgri imaju samo jedan namot, a jezgra ima obično zračni raspor. • Prigušnice se priključuju na mrežu na dva načina: - direktno na vod (tamo gdje se rijetko isključuju, a vodovi su veće duljine, pa je potrebno radi smanjenja prenapona omogućiti pražnjenje preko prigušnica), sl.a - indirektno preko tercijarnog namota mrežnog transformatora napona 10...35 kV (tamo gdje se češće uklapaju), sl. b. • Ako se prigušnica postavlja samo na jednom kraju voda, onda treba odabrati suprotnu stranu od one, koja se u većini slučajeva prva uključuje. • Kod kompenzacije na oba kraja voda, treba dodati prigušnicu i na mjestima označenim s a na slikama a) i b). • Prigušnice se dimenzioniraju na temelju analize mreže u raznim režimima pogona, a obično se kompenzira manje od jedne polovine “snage punjenja” voda. 45
1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (8) Statičke naprave (6) Statički kompenzatori: • Statički kompenzatori zovu se naprave koje nemaju pokretnih dijelova, te koriste elemente energetske elektronike. • Njima se jalova snaga (kapacitivna i induktivna) može regulirati brzo i kontinuirano. • Uspješno mogu zamijeniti skupe sinkrone kompenzatore. • Ova vrst kompenzatorskih uređaja za kompenzaciju u prijenosnim mrežama tek se počinje uvoditi u upotrebu. • Prvenstveno se primjenjuju za kompenzaciju brzih i vrlo promjenljivih jalovih snaga industrijskih potrošača.
46
