ZAKA
AD SIECI I AUTOMATYKI ELEKTROENERGETYCZNEJ
ELEKTROENERGETYKA
LABORATORIUM
ćwiczen ie
2
nr
temat Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
stanow isko
2
nr
da ta p rzyjÄ™ cia
p rowadzą cy da ta wykonania ćwicz. da ta oddania spraw .
spraw .
dr inż. Roman Paszylk 29.05.2014 12.06.2014
stud ia / rok a k. / sem. / spe cj. /
ocena
Stacjonarne inżynierskie/2/IV/-/E3-1-2
g rupa
1. Monika Olszewska
2. Marcin Budzyński
3. Maksymilian Belter
4. Maciej Piszczek
sprawo zdanie w ykonali :
5. Jacek Jędrzejczak
6. A
ukasz Lorek
7. Karol Brodziński
8. Grzegorz Goz
dzialski
9. Paweł Kołodziejczyk
Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z regulacją napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernych za pomocą baterii kondensatorów
równoległych w rozdzielczych sieciach elektroenergetycznych na modelu linii 15 kV o zadanym obciążeniu
i współczynniku mocy.
Wstęp teoretyczny
Energia elektryczna bierna  jest to energia przepływająca między z
ródłem prądu zmiennego a odbiornikiem o
charakterze indukcyjnym (energia bierna indukcyjna) lub pojemnościowym (energia bierna pojemnościowa).
Podstawą tego zjawiska jest właściwośd gromadzenia energii przez elementy indukcyjne i pojemnościowe. Cewki i
kondensatory w pewnych częściach okresu napięcia zasilającego gromadzą energię w postaci pól magnetycznego lub
elektrycznego a w innych jÄ… oddajÄ… do z
ródÅ‚a. Efektem tego jest przesuniecie fazowe o wartoÅ›ci 90° pomiÄ™dzy
przebiegiem prÄ…du i napiÄ™cia. Istotnym faktem jest to, że przesuniÄ™cie fazowe prÄ…du kondensatora wynosi -90° a
cewki indukcyjnej 90° wzglÄ™dem przebiegu napiÄ™cia zasilajÄ…cego. W praktycznym ujÄ™ciu energia bierna indukcyjna
potrzebna jest do wytworzenia pola magnetycznego, dzięki któremu działają takie maszyny elektryczne, jak silniki czy
transformatory.
Kompensacja mocy biernej - jest to zabieg polegający na dołączeniu do odbiorników RL baterii kondensatorów o
mocy zbliżonej do mocy biernej tych odbiorników. Energia bierna przepływa wówczas w znacznej części pomiędzy
pojemnością a indukcyjnością. Z sieci pobierana jest wtedy moc czynna i różnica mocy biernej indukcyjnej i
pojemnościowej. W przypadku zrównania się mocy indukcyjności i kondensatora następuje rezonans równoległy. Z
sieci płynie tylko składowa czynna prądu, natomiast pojemnościowa i indukcyjna bierna znoszą się całkowicie (płynie
między pojemnością a indukcyjnością). W praktyce do kompensacji mocy biernej w sieciach nn stosuje się baterie
składające się z pewnej liczby kondensatorów, które włączane są do sieci przez styczniki. Do sterowania stycznikami
używane są regulatory mocy biernej, które mierzą aktualny poziom obciążenia i dołączają odpowiednią liczbę stopni
kondensatorowych.
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 1/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Celem kompensacji mocy biernej jest:
·ð ograniczenie do zera kosztów zużycia energii biernej
·ð zmniejszenie strat mocy czynnej
·ð zwiÄ™kszenie przepustowoÅ›ci ukÅ‚adu zasilania
·ð poprawa jakoÅ›ci energii elektrycznej
Przebieg ćwiczenia
Dana jest napowietrzna sied SN z przewodami typu ALF-6 70.
Napięcie fazowe dla modelu:
5ØHÜ5ØAÜ 15000
5ØHÜ5ØSÜ5ØZÜ = = H" 60 5ØIÜ
3 × 5ØXÜ5ØbÜ 3 × 144,33
Wartośd współczynnika odwzorowania napięciowego ku i prądowego ki sieci rzeczywistej:
ku=ki=144,33
Linia składa się z dwóch segmentów o równych wartości impedancji Z1 i Z2 połączonych szeregowo:
&!
5ØMÜ0 = 0,43 + 5ØWÜ0,4
5ØXÜ5ØZÜ
5ØMÜ5ØYÜ = 13,25 + 5ØWÜ12,33 &!
Sprawdzaliśmy możliwości regulacji napięcia na tej linii, podczas poprawy współczynnika mocy odbioru, za
pomocą baterii kondensatorów równoległych (poprzez zmianę rozpływu prądów biernych w linii)
Schemat układu pomiarowego:
Rysunek 1 Schemat układu pomiarowego
Zestawiono układ pomiarowy według schematu na rysunku 1. Dokonano pomiarów: napięcia na odbiorze i na
początku linii, prądu płynącego przez linię oraz współczynników mocy na początku linii oraz na odbiorze na
rozpartywanym modelu dla następujących stanów pracy linii:
·ð Praca linii bez baterii kondensatorów równolegÅ‚ych, staÅ‚a wartoÅ›d napiÄ™cia na odbiorze
·ð Praca linii z bateriÄ… kondensatorów równolegÅ‚ych, staÅ‚a wartoÅ›d napiÄ™cia na odbiorze. Badano pracÄ™ linii
przy różnych pojemnościach baterii kondensatorów. Dołączano kolejne człony baterii kondensatorów aż
do zmiany charakteru obciążenia z indukcyjnego na pojemnościowy.
·ð Praca linii z bateriÄ… kondensatorów równolegÅ‚ych, staÅ‚a wartoÅ›d napiÄ™cia na poczÄ…tku linii
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 2/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Wyniki pomiarów uzyskane na modelu dla rozpatrywanych stanów pracy linii
W tablicach 1, 2 zostały zamieszczone wyniki pomiarów
U1 I1 cosĆ1 U2 I2 cosĆ2 C
Lp.
[V] [A] - [V] [A] - *µF+
1.
78 1,00 0,65(L) 60 1,00 0,62(L) 0,0
2. 78 0,90 0,70(L) 60 0,90 0,69(L) 7,4
3. 76 0,83 0,75 60 0,85 0,75 14,8
4. 72 0,73 0,81 60 0,75 0,82 22,2
5. 72 0,68 0,90 60 0,70 0,92 29,6
6. 70 0,63 0,96 60 0,65 0,98 37,0
7. 68 0,63 1(C) 60 0,65 1(C) 44,4
8. 68 0,68 0,99(C) 60 0,65 0,97(C) 51,8
9. 64 0,70 0,97(C) 60 0,70 0,90(C) 59,2
Tablica 1 Wyniki pomiarów dla stałego napięcia na odbiorze
U1 I1 cosĆ1 U2 I2 cosĆ2 C
Lp.
[V] [A] - [V] [A] - *µF+
1. 60 0,78 0,65 46 0,80 0,62 0,00
2. 60 0,73 0,7 48 0,75 0,69 7,40
3. 60 0,68 0,75 48 0,70 0,75 14,80
4. 60 0,60 0,81 50 0,65 0,82 22,20
5. 60 0,58 0,9 52 0,60 0,92 29,60
6. 60 0,55 0,96 52 0,60 0,97 37,00
7. 60 0,55 1(C) 52 0,55 0,99(C) 44,40
8. 60 0,60 0,99(C) 54 0,60 0,96(C) 51,80
9. 60 0,65 0.97(C) 58 0,65 0,90(C) 59,20
Tablica 2 Wyniki pomiarów dla stałego napięcia na początku linii
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 3/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Obliczenia
Wyznaczone na podstawie pomiarów, rzeczywiste wartościrozpatrywanych wielkości dla linii 15 kV
Obliczenia wykonano według następujących zależności
Zależnośd Przykład
5ØHÜ1 = 35ØXÜ5ØHÜ5ØHÜ15ØSÜ5ØZÜ 5ØHÜ1 = 3 × 144,33 × 78 = 19498,98 5ØIÜ
5Ø<Ü1 = 5Ø<Ü2 = 5ØXÜ5Ø<Ü5Ø<Ü15ØSÜ5ØZÜ 5Ø<Ü1 = 5Ø<Ü2 = 144,33 × 1 = 144,33 5Ø4Ü
5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß1 = 5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß15ØZÜ 5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß1 = 0,65
5ØHÜ2 = 35ØXÜ5ØHÜ5ØHÜ25ØSÜ5ØZÜ 5ØHÜ2 = 3 × 144,33 × 60 = 14999,21 5ØIÜ
5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß2 = 5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß25ØZÜ 5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß2 = 0,62
"5ØHÜ12 = 5ØHÜ1 - 5ØHÜ2 "5ØHÜ12 = 19498,98 - 14999,21 = 4499,77 5ØIÜ
2
14999,21
5ØDÜ5ØPÜ = 5ØHÜ25ØSÜ5Øß5Ø6Ü
5ØDÜ5ØPÜ = ( )2 × 314 × 0 = 0 5ØIÜ5ØNÜ5Ø_Ü
3
5Ø6Ü = 5Ø6Ü5ØZÜ 5Ø6Ü = 0 5Øß5Ø9Ü
(dla baterii kondensatorów połączonych w gwiazdę)
Wyniki obliczeo zestawiono w poniższych tabelach.
Lp. U1 I1 cosÕ1 U2 I2 cosÕ2 "U12 Qc
[kV] [A] [-] [kV] [A] [-] [kV] [kvar]
1. 19,50 144,33 0,65 15,00 144,33 0,62 4,50 0
2. 19,50 129,90 0,70 15,00 129,90 0,69 4,50 174,25
3. 19,00 119,79 0,75 15,00 122,68 0,75 4,00 348,5
4. 18,00 105,36 0,81 15,00 108,25 0,82 3,00 522,76
5. 18,00 98,14 0,90 15,00 101,03 0,92 3,00 697,01
6. 17,50 90,93 0,96 15,00 93,81 0,98 2,50 871,26
7. 17,00 90,93 1,00 15,00 93,81 1,00 2,00 1045,51
8. 17,00 98,14 0,99 15,00 93,81 0,97 2,00 1219,76
9. 16,00 101,03 0,97 15,00 101,03 0,90 1,00 1394,01
Tablica 3 Rzeczywiste wielkości badanych wielkości dla linii 15kV w przypadku stałego napięcia na odbiorze
Lp. U1 I1 cosÕ1 U2 I2 cosÕ2 "U12 Qc
[kV] [A] [-] [kV] [A] [-] [kV] [kvar]
1. 15,00 112,58 0,65 11,50 115,46 0,62 3,50 0
2. 15,00 105,36 0,70 12,00 108,25 0,69 3,00 111,52
3. 15,00 98,14 0,75 12,00 101,03 0,75 3,00 223,04
4. 15,00 86,60 0,81 12,50 93,81 0,82 2,50 363,02
5. 15,00 83,71 0,90 13,00 86,60 0,92 2,00 523,53
6. 15,00 79,38 0,96 13,00 86,60 0,97 2,00 654,41
7. 15,00 79,38 1,00 13,00 79,38 0,99 2,00 785,29
8. 15,00 86,60 0,99 13,50 86,60 0,96 1,50 988,01
9. 15,00 93,81 0,97 14,50 93,81 0,90 0,50 1302,03
Tablica 4Rzeczywiste wielkości badanych wielkości dla linii 15kV w przypadku stałego napięcia na początku linii
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 4/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Wykresy zależnoÅ›ci U , U =f(Q ); DðU = f(Q ); I , I =f(Q ); cosfð1ð,ð ðcosfð =f(Q ) ð ð
1 2 c 12 c 1 2 c 2 c
W przypadku stałego napięcia na odbiorze
20 U [kV]
19
18
U1
17
U2
U1
16
15
Qc [kvar]
14
0 0 0 1 1 1 1 1 2
Wykres1. Zależnośd U1, U2=f(Qc)
5 "U12 [kV]
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1 2
Wykres2.Zależnośd "U12=f(Qc).
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 5/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
150 I [A]
140
130
120
I1
110
I2
100
90
80
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1 2
Wykres3. Zależnośd I1, I2=f(Qc).
1,05 [-]
cosĆ
1
0,95
0,9
0,85
cos Ć1
0,8
cos Ć2
0,75
0,7
0,65
Qc [kvar]
0,6
0 0 0 1 1 1 1 1 2
Wykres4. ZależnoÅ›d cosÕ1, cosÕ2=f(Qc).
W przypadku stałego napięcia na początku linii
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 6/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
16 U [kV]
15
14
U1
13
U2
U2
12
11
10
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1
Wykres1. Zależnośd U1, U2=f(Qc)
4 "U12 [kV]
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1
Wykres2.Zależnośd "U12=f(Qc).
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 7/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
120I [A]
115
110
105
100
95
I1
I2
90
85
80
75
70
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1
Wykres3. Zależnośd I1, I2=f(Qc).
1,05 cosĆ [-]
1
0,95
0,9
0,85
cos Ć1
0,8
cos Ć2
0,75
0,7
0,65
0,6
Qc [kvar]
0 0 0 1 1 1 1 1
Wykres4. ZależnoÅ›d cosÕ1, cosÕ2=f(Qc).
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 8/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Wykresy wektorowe prądów i napięć dla rozpatrywanej linii 15 kV dla stanu jej pracy bez baterii
kondensatorów oraz dla wybranego stanu z baterią kondensatorów równoległych, gdy U >U ,
1k 2
U =U , U 1k 2 1k 2
OBLICZENIA DO WYKRESU FAZOROWEGO BEZ KOMPENSACJI
U2=15 KV,
I2=144,33 A,
ZL=(13,25+j12,33) &!,
cosÕ=0,62
2
5Ø<Ü2 = 5Ø<Ü25ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß = 144,33 × 0,62 = 89,49 5Ø4Ü
5Øß = 5ØNÜ5Ø_Ü5ØPÜ5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß = 5ØNÜ5Ø_Ü5ØPÜ5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü0,62 = 51,68°
5Ø`Ü5ØVÜ5Ø[Ü5Øß = 0,785
"
5Ø<Ü2 = 5Ø<Ü25Ø`Ü5ØVÜ5Ø[Ü5Øß = 144,33 × 0,785 = 113,29 5Ø4Ü
5Ø<Ü12 = 5Ø<Ü2 = 89,49 - 5ØWÜ113,29 5Ø4Ü
"5ØHÜ5ØEÜ125ØSÜ = 5Ø<Ü12 × 5ØEÜ5ØYÜ = 89,49 - 5ØWÜ113,29 × 13,25 = 1185,74 - 5ØWÜ1501,09 5ØIÜ
"5ØHÜ5ØKÜ125ØSÜ = 5Ø<Ü12 × 5ØWÜ5ØKÜ5ØYÜ = 89,49 - 5ØWÜ113,29 × 5ØWÜ12,33 = 1396,87 + 5ØWÜ1103,41 5ØIÜ
"5ØHÜ5ØMÜ125ØSÜ = 5Ø<Ü12 × 5ØMÜ5ØYÜ = 89,49 - 5ØWÜ113,29 × 13,25 + 5ØWÜ12,33 = 2582,61 - 5ØWÜ397,68 5ØIÜ
5ØÿÞ5ØHÜ2 = 3 × 5Ø<Ü2 × 5ØEÜ - 5Ø<Ü" × 5ØKÜ = 3 × 89,49 × 13,25 + 113,29 × 12,33 = 4473,21 5ØIÜ
5ØHÜ15ØSÜ = 5ØHÜ25ØSÜ + "5ØHÜ5ØMÜ125ØSÜ = 15 000 + 2582,61 - 5ØWÜ397,68 = 17582,61 - 5ØWÜ397,68 5ØIÜ
OBLICZENIA DO WYKRESU FAZOROWEGO Z KOMPENSACJ

U2=15 KV,
I2=93,81 A,
ZL=(13,25+j12,33) &!,
cosÕ=0,98,
C=37 źF.
2
5Ø<Ü2 = 5Ø<Ü25ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß = 93,81 × 0,98 = 91,93 5Ø4Ü
5Øß = 5ØNÜ5Ø_Ü5ØPÜ5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü5Øß = 5ØNÜ5Ø_Ü5ØPÜ5ØPÜ5Ø\Ü5Ø`Ü0,98 = 11,48°
5Ø`Ü5ØVÜ5Ø[Ü5Øß = 0,2
"
5Ø<Ü2 = 5Ø<Ü25Ø`Ü5ØVÜ5Ø[Ü5Øß = 93,81 × 0,2 = 18,76 5Ø4Ü
5Ø<Ü12 = 5Ø<Ü2 = 91,93 - 5ØWÜ18,76 5Ø4Ü
5ØHÜ25ØSÜ 5ØHÜ25ØSÜ 15 000
5Ø<Ü5ØPÜ = = = = 5ØWÜ174,27 5Ø4Ü
1
-5ØWÜ5ØKÜ5ØPÜ -5ØWÜ 1
-5ØWÜ
5Øß5Ø6Ü 314×37×10-6
5Ø<Ü125ØXÜ = 5Ø<Ü12 + 5Ø<Ü5ØPÜ = 91,93 - 5ØWÜ18,76 + 5ØWÜ174,27 = 91,93 + 5ØWÜ155,51 5Ø4Ü
"5ØHÜ5ØEÜ125ØSÜ5ØXÜ = 5Ø<Ü125ØXÜ × 5ØEÜ5ØYÜ = 91,93 + 5ØWÜ155,51 × 13,25 = 1218,07 + 5ØWÜ2060,51 5ØIÜ
"5ØHÜ5ØKÜ125ØSÜ5ØXÜ = 5Ø<Ü125ØXÜ × 5ØWÜ5ØKÜ5ØYÜ = 91,93 + 5ØWÜ155,51 × 5ØWÜ12,33 = -1917,44 + 5ØWÜ1133,50 5ØIÜ
"5ØHÜ5ØMÜ125ØSÜ5ØXÜ = 5Ø<Ü125ØXÜ × 5ØMÜ5ØYÜ = 91,93 + 5ØWÜ155,51 × 13,25 + 5ØWÜ12,33 = -699,37 + 5ØWÜ3194,00 5ØIÜ
5ØÿÞ5ØHÜ2 = 3 × 5Ø<Ü2 × 5ØEÜ - 5Ø<Ü" × 5ØKÜ = 3 × 91,93 × 13,25 - 155,51 × 12,33 = -699,37 5ØIÜ
5ØHÜ15ØSÜ5ØXÜ = 5ØHÜ25ØSÜ + "5ØHÜ5ØMÜ125ØSÜ5ØXÜ = 15 000 + -699,37 + 5ØWÜ3194,00 = 14300,63 + 5ØWÜ3194,00 5ØIÜ
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 9/10
Regulacja napięcia w sieci elektroenergetycznej za pomocą baterii kondensatorów równoległych
Wnioski
W trakcie wykonywania dwiczenia przekonaliśmy się jak bateria kondensatorów wpływa na wartości
napiÄ™cia oraz współczynnika mocy cosÕ. Pomiary wykonywaliÅ›my dla dwóch przypadków: staÅ‚ego napiÄ™cia
na koocu linii i stałego napięcia na początku linii. Korzystaliśmy z przygotowanego w laboratorium modelu,
który umożliwił nam dzięki odpowiednim przeliczeniom uzyskad rzeczywiste wyniki parametrów dla linii II
rodzaju.
Początkowo mierzyliśmy prądy, napięcie i współczynniki mocy dla linii II rodzaju bez kompensacji przy
stałym napięciu na odbiorze. Potem przyłączaliśmy do linii baterie kondensatorów i obserwowaliśmy ich
wpływ na parametry. Spostrzegliśmy znaczną poprawę współczynnika mocy, a co za tym idzie spadki
napięcia na początku linii i prądów. Jednakże, gdy dołączaliśmy baterie o coraz wyższej pojemności to w
koocu doprowadziliśmy do zjawiska przekompensowania, tzn. współczynnik mocy zaczął maled.
Następnie mierzyliśmy prądy, napięcie i współczynniki mocy dla linii II rodzaju przy stałym napięciu na
początku linii. Podczas dołączania baterii kondensatorów zaobserwowaliśmy podobne zjawiska jak w
pierwszym przypadku, czyli spadki napięcia, prądów i współczynnika mocy, aż do przekompensowania.
Przeprowadzone przez nas dwiczenie wykazało, iż za pomocą baterii kondensatorów możemy
ograniczad straty prądowe układów (ponieważ gdy płynie mniejszy prąd, to notujemy jego mniejsze straty).
Jednak, o czym również się przekonaliśmy, należy uważad w trakcie wykonywania kompensacji mocy
biernych w układzie, gdyż łatwo można przekroczyd granicę najwyższego możliwego współczynnika mocy i
doprowadzid układ do stanu przekompensowania. Wtedy zamiast poprawiad parametry układu,
pogarszamy je, gdyż zbyt duża pojemnośd powoduje obniżenie się współczynnika mocy.
Elektroenergetyka - sprawozdanie strona 10/10