SYMETRYZACJA

OBWODÓW SIECI NISKIEGO

NAPIĘCIA

Tel.: [phone]
Fax.: [phone]
e-mail: [e-mail]

Konferencja Naukowo-Techniczna

OPTYMALIZACJA W ELEKTROENERGETYCE

OPTYMALIZACJA W ELEKTROENERGETYCE

Jachranka, 11 - 13 października 2003 roku

Jachranka, 11 - 13 października 2003 roku

Waldemar Szpyra

Waldemar Szpyra

Katedra Elektroenergetyki

AGH

Tadeusz Mejer

Tadeusz Mejer

Zakład Energetyczny Kraków

SA

Tel. dom.: (012) 637 37 81

(referat znajduje się na str. 85 – 94 mat. konf. )

Przyczyny asymetrii

Przyczyny asymetrii



asymetrię wewnętrzną

asymetrię wewnętrzną – tj. asymetrię elementów sieci wynikającą z

różnic impedancji własnych i wzajemnych poszczególnych faz;



asymetrię zewnętrzną

asymetrię zewnętrzną – tj. asymetrię wynikającą z asymetrii napięć

w punktach zasilających sieć oraz asymetrię spowodowaną

zasilaniem odbiorów trójfazowych o różnych mocach w każdej fazie

(

asymetria miejscowa

asymetria miejscowa), lub przyłączeniem do różnych punktów sieci

odbiorów jednofazowych (

asymetria przestrzenna

asymetria przestrzenna).

Obliczenia sieci elektroenergetycznych wykonywane są

Obliczenia sieci elektroenergetycznych wykonywane są

najczęściej przy założeniu symetrii parametrów sieci oraz

najczęściej przy założeniu symetrii parametrów sieci oraz

napięć

zasilających

sieć

napięć

zasilających

sieć

i prądów odbiorów. Założenie to bardzo ułatwia wykonanie

i prądów odbiorów. Założenie to bardzo ułatwia wykonanie

obliczeń,

obliczeń,

ale w praktyce jest w wielu przypadkach nieprawdziwe.

ale w praktyce jest w wielu przypadkach nieprawdziwe.

W ustalonych stanach pracy sieci można wyróżnić dwa rodzaje

W ustalonych stanach pracy sieci można wyróżnić dwa rodzaje

asymetrii:

asymetrii:

W liniach niskiego napięcia wystepuje zewnętrzna asymetria
przestrzenna, której przyczyną są przyłączone w różnych punktach
linii

odbiorniki

jedno-fazowe

rozłożone

nierównomiernie

na

poszczególne fazy (często są to odbiory o mocy od jednego do kilku
kW takie jak żelazka, pralki automatyczne, kuchnie, przepływowe
podgrzewacze

wody

itp.)

oraz

niesymetryczne

obciążenie

poszczególnych faz u odbiorców z przyłączami trójfazowymi.

Miara asymetrii

Miara asymetrii

 kolejności

przeciwnej:

Miarą asymetrii są tzw współczynniki niezrównoważenia składowych

symetrycznych, napięć i prądów:

 kolejności zerowej:

%

100

1

2

2

U

U

n

U



%

100

1

2

2

I

I

n

I



%

100

1

0

0

U

U

n

U



%

100

1

0

0

I

I

n

I



Korzystanie ze współczynników niezrównoważenia napięć i prądów

jest niewygodne (wymaga stosowania specjalnych przyrządów do

pomiaru jakości energii). J. Sozański zaproponował wykorzystanie do

oceny asymetrii napięć współczynnika obliczonego na podstawie

pomiaru napięć fazowych:

%

100















U

U

U

U

U

U

U

A

C

B

A

U

gdzie

:

C

B

A

U

U

U

,

,

– wartości skuteczne napięć fazowych,

U

– wartość średnia napięć fazowych obliczona z

zależności:

3

C

B

A

U

U

U

U







Przepisy dotyczące asymetrii

Przepisy dotyczące asymetrii

W

zakresie asymetrii obowiązuje

norma:

PN-EN 50160 Parametry

napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. Z normy
tej wynika, że:



w normalnych warunkach pracy sieci nN, w ciągu każdego
tygodnia,
5 % ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych
składowej

symetrycznej

kolejności

przeciwnej

napięcia

zasilającego powinno mieścić się w przedziale od

0

do

2 %

2 %

wartości składowej kolejności zgodnej;



na obszarach, na których występują instalacje odbiorców
przyłączonych częściowo jednofazowo lub między dwie fazy,
niesymetria w sieci trójfazowej może osiągać wartość do około

3%;

3%;



analogiczne wymagania stawiane są sieci rozdzielczej średniego
napięcia.

Projekt Rozporządzenia Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki
Społecznej
w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do
sieci elektroenergetycznych (wersja z dnia 23 czerwca 2003)

dopuszcza

niższą,

wynoszącą

1%

wartość

współczynnika

niezrównoważenia składowej sysmetrycznej kolejności przeciwnej.

Skutki asymetrii

Skutki asymetrii

Dla odbiorcy energii elektrycznej

Dla odbiorcy energii elektrycznej uciążliwość asymetrii zależy od
rodzaju zasilanych odbiorników. Przy zasilaniu odbiorników 3-
fazowych istotna jest wartość współczynnika niezrównoważenia
napięć kolejności przeciwnej. Dotyczy to w szczególności silników
elektrycznych, których moment obrotowy maleje ze wzrostem
udziału tej składowej.

Z punktu widzenia operatora sieci

Z punktu widzenia operatora sieci istotna jest asymetria prądów,
która powoduje:



Dodatkowe straty mocy i energii

Dodatkowe straty mocy i energii – w wyniku prądu płynącego
w przewodzie neutralnym oraz różnych wartości prądów w
przewodach fazowych (rys. 1 i 2);



Różne wartości spadków napięcia w poszczególnych fazach

Różne wartości spadków napięcia w poszczególnych fazach co
prowadzi do do asymetrii napięć (rys. 3). W skrajnych
przypadkach

spadek

napięcia

w najmniej obciążonej fazie może przyjmować wartości ujemne, a
spadek napięcia w fazach najbardziej obciążonych wartości, przy
których przekroczone zostaną dopuszczalne odchylenia napięcia.
Może to być podstawą do żądania przez odbiorców bonifikat za
niedotrzymanie parametrów jakościowych dostarczanej energii;

 Zakłócenia w pracy sieci niskiego napięcia.

Skutki asymetrii

Skutki asymetrii

Rys. 1. Wpływ asymetrii obciążenia na wzrost strat mocy w linii niskiego

napięcia

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

5,0

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

5

,

0



f

N

s

s

7

,

0



f

N

s

s

0

,

1



f

N

s

s

4

,

1



f

N

s

s

9

,

1



f

N

s

s

Stosunek prądu w przewodzie neutralnym do średniego prądu w przewodach fazowych

f

N

I

I

St

os

un

ek

s

tr

at

p

rz

y

ob

ci

ąż

en

iu

n

ie

sy

m

et

ry

cz

ny

m

d

o

st

ra

t p

rz

y

ob

ci

ąż

en

iu

s

ym

et

ry

cz

ny

m



P

as

ym

/

P

sy

m

Skutki asymetrii

Skutki asymetrii

Rys. 2. Wpływ asymetrii na wzrost strat mocy w transformatorze

SN/nN.

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

Układ połączeń Yy0
Układ połączeń Yz5

St

os

un

ek

s

tr

at

p

rz

y

ob

ci

ąż

en

iu

n

ie

sy

m

et

ry

cz

ny

m

d

o

st

ra

t

pr

zy

o

bc

ią

że

ni

u

sy

m

et

ry

cz

ny

m

P

as

ym

/

P

sy

m

Stosunek prądu w przewodzie neutralnym do średniego prądu w przewodach fazowych

f

N

I

I

Skutki asymetrii

Skutki asymetrii

Rys. 3. Przebieg zmian spadków napięcia w linii niskiego napięcia w

ciągu doby

a)

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Godzina

Sp

ad

ek

n

ap

ię

ci

a,

w

%

Faza A przed przepl.
Faza B przed przepl.
Faza C przed przepl.

Ograniczanie skutków asymetrii

Ograniczanie skutków asymetrii

Zupełne wyeliminowanie asymetrii obciążenia w sieci niskiego
napięcia jest praktycznie niemożliwe ponieważ odbiory jednofazowe
są załączane w różnych punktach linii w dodatku w sposób losowy
(urządzenia

do

symetryzacji

musiałyby

być

zainstalowane

praktycznie na każdym przyłączu).
Skutki asymetrii obciążenia można zmniejszyć poprzez:

1) równomierny rozkład odbiorów jednofazowych na poszczególne

fazy,

2) zwiększenie przekroju przewodu neutralnego,
3) instalację urządzeń do symetryzacji obciążenia,

4)

4)

dokonanie przeplecenia przewodów fazowych

dokonanie przeplecenia przewodów fazowych.

Efektywność pierwszych trzech spośród wymienionych wyżej sposobów
ograniczania skutków asymetrii przedstawiono w książce pod red Jerzego
Kulczyckiego

pt.:

„Ograniczanie

strat

energii

elektrycznej

w

elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych” Wyd. Polskie Towarzystwo
Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej Poznań, czerwiec 2002.

Przedmiotem referatu jest ocena skuteczności zastosowania przepleceń
przewodów fazowych dla zmniejszenia skutków asymetrii. Ideę przepleceń
ilustruje rys. 4.

Przeplecenia

Przeplecenia

Rys. 4. Ilustracja idei przepleceń przewodów fazowych w linii niskiego

napięcia

A

B

C

A

B

C

A

B

C

a) bez przepleceń

A

B

C

b) jedno przeplecenie

C

A

B

A

B

C

c) dwa przeplecenia – oba „w przód”

C

A

B

B

C

A

A

B

C

d) dwa przeplecenia – „w przód” i „w tył”

C

A

B

A

B

C

A

B

C

e) trzy przeplecenia – wszystkie „w przód”

C

A

B

zestaw obciążeń jednego przyłącza

Obliczenia symulacyjne

Obliczenia symulacyjne

Obliczenia symulacyjne wykonano na modelu linii napowietrznej niskiego
napięcia
z przewodami aluminiowymi o przekroju 450 mm

2

, składającej się z 20

przęseł
o długości od 35 do 45 m (łącznie 800 m). Obliczenia wykonano przy
następujących warunkach:

 Na każdym słupie linii znajduje się przyłącze trójfazowe,
 Wartości prądów płynących z linii do każdego przyłącza określono w sposób

losowy z zakresu od 0 do 12 A (niezależnie dla każdej z faz).

 Do dalszych obliczeń przyjmowano te zestawy wylosowanych obciążeń

przyłączy, dla których występowała wyraźna asymetria prądów
wpływających do linii z transformatora SN/nN, tj. takie, przy których
stosunek prądu przewodu neutralnego do średniego prądu fazowego
spełniał warunek : .

5

,

0



f

N

I

I

Dla każdego ze spełniających powyższe warunki zestawów obciążeń przyłączy
wykonano obliczenia rozpływu prądów w poszczególnych odcinakach linii oraz
odchyleń napięcia wzdłuż linii. Obliczenia wykonano dla następujących
przypadków (rys. 4):

a) bez przepleceń,
b) przy jednym przepleceniu,
c) przy dwóch przepleceniach – oba „do przodu”,
d) przy dwóch przepleceniach – jedno „do przodu” i jedno „do tyłu”
e) przy trzech przepleceniach – wszystkie „do przodu”.

Wyniki obliczeń

Wyniki obliczeń

Tabela 1. Zestawienie wyników obliczeń na modelu linii

Dla sprawdzenia skuteczności zaproponowanej metody ograniczania skutków
asymetrii wykonano dwa przeplecenia w linii napowietrznej z przewodami
aluminiowymi o przekroju 450 mm

2

.

Linia wyprowadzona jest ze stacji SN/nN krótkim odcinkiem kabla, po czym
rozgałęzia się w dwóch kierunkach. Jedno odgałęzienie o długości 400 m
zasila 17 przyłączy, a drugie o długości 650 m zasila 37 przyłączy.
Przeplecenia wykonano w dłuższym z odgałęzień.
Przed i po dokonaniu przepleceń wykonano pomiary prądów wpływających do
linii ze stacji zasilającej oraz wartości napięć fazowych w punkcie zasilania
oraz na końcu dłuższego odgałęzienia linii.
Średni (w ciągu doby) współczynnik asymetrii napięć na końcu dłuższego
odgałęzienia wynosił:
przed przepleceniem:

A

U

= 9,84 %,

po przepleceniu

A

U

= 3,25%.

Otrzymane wyniki należy traktować jako orientacyjne, ze względu na
odległość w czasie pomiędzy dokonaniem pomiarów przed przepleceniem (28
lutego), a wykonaniem prze-pleceń i ponownymi pomiarami (22 maja). W tym
okresie nastąpiło zmniejszenie obciążenia linii, mogła także nastąpić zmiana
rozkładu obciążeń między poszczególne fazy

Przeplecenia w linii istniejącej

Przeplecenia w linii istniejącej

Rys. 5. Przebieg zmian
spadku napięcia na końcu
linii:

a)

-4

-2

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Godzina

Sp

ad

ek

n

ap

ię

ci

a,

w

%

Faza A przed przepl.
Faza B przed przepl.
Faza C przed przepl.

b)

-2

0

2

4

6

8

10

12

9

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Godzina

Sp

ad

ek

n

ap

ię

ci

a,

w

%

Faza A po przepl.

Faza B po przepl.
Faza C po przepl.

Spadki napięcia przed i po przepleceniu

Spadki napięcia przed i po przepleceniu

a) prze wykonaniem

przepleceń

b) po wykonaniu

przepleceń

Podsumowanie

Podsumowanie

Z przeprowadzonych dotychczas badań wynika, że:

2) Dodatkowym efektem zmniejszenia asymetrii obciążenia jest

zmniejszenie strat mocy i energii w liniach niskiego napięcia oraz
w transformatorach zasilających te linie.

3) Wykonane dotychczas badania nie dają podstaw do wyciągnięcia

uogólnia-jących wniosków odnośnie zasad lokalizacji punktów, w
których należy dokonać przepleceń oraz ich liczby i rodzaju.
Dlatego badania należy kontynuować zarówno na modelowych
jak i rzeczywistych liniach niskiego napięcia.

1) Przeplecenia mogą się okazać tanim i skutecznym środkiem

zmniejszenia asymetrii napięć oraz wynikającym z tego powodu
przekroczeniom dopuszczalnych odchyleń napięcia w obwodach
niskiego napięcia.

Odpowiedź na pytania zawarte w referacie

Odpowiedź na pytania zawarte w referacie

generalnym

generalnym

1.

1.

Czy istnieje możliwości pomiaru ?

Czy istnieje możliwości pomiaru ?

Tak są rejestratory w cenie od kilku tys. złotych do kilkunastu

Tak są rejestratory w cenie od kilku tys. złotych do kilkunastu

tys. dolarów. Dla przykładu rejestrator parametrów jakości

tys. dolarów. Dla przykładu rejestrator parametrów jakości

energii włoskiecj firmy Carlo Gavazzi typu PQA-2002 kosztuje

energii włoskiecj firmy Carlo Gavazzi typu PQA-2002 kosztuje

2800 € + VAT (ok. 16 000 zł). Szczegóły można znaleźć na

2800 € + VAT (ok. 16 000 zł). Szczegóły można znaleźć na

stronie:

stronie: http://www.sprint.com.pl/~e-s-t/idex1.html

http://www.sprint.com.pl/~e-s-t/idex1.html

2.

2.

Czy pomiary wykonane w lutym i w maju są miarodajne ?

Czy pomiary wykonane w lutym i w maju są miarodajne ?

Niestety nie – dlatego sugeruje się ponowne wykonanie

Niestety nie – dlatego sugeruje się ponowne wykonanie

pomiarów

pomiarów

w tym obwodzie w dłuższym okresie czasu w zimie 2003/04.

w tym obwodzie w dłuższym okresie czasu w zimie 2003/04.

Odnośnie proponowanych tematów do dyskusji

Odnośnie proponowanych tematów do dyskusji

Ad 1. Nie słyszałem o innych przypadkach stosowania przepleceń w

sieci niskiego napięcia – chętnie dowiedziałbym się coś na temat
ewentualnych doświadczeń w tym zakresie?

Ad. 2. Zakres przeniesienia zapisów normy PN-EN 50160 do

rozporządzenia przyłączeniowego:

a) W zakresie asymetrii – projekt rozporządzenia przewiduje

zaostrzenie
w wymagań w stosunku do normy (ograniczenie zawartości
składowej symetrycznej przeciwnej napięcia do

1 %

składowej

kolejności zgodnej). Wydaje się, że jest to wymaganie
nieuzasadnione.

b) W zakresie odchyleń napięcia projekt rozporządzenia przewiduje

podwyższenie w sieci średniego i niskiego napięcia dopuszczalnej
wartości odchylenia napięcia w górę do

10% U

n

. Moim zdaniem

podwyższenie dopuszczalnej wartości odchylenia napięcia w górę
w sieci SN jest uzasadnione warunkami regulacji napięcia.
Natomiast w sieci niskiego napięcia dopuszczalne odchylenie
napięcia w górę powinno pozostać na niezmienionym poziomie tj.

5% U

n

. granicy odchylenia.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ