JAKO
ENERGII
dla studentów kierunku
TECHNOLOGIE ENERGETYKI ODNAWIALNEJ
dr in . Rafał Korupczy ski
Przepi cia przej ciowe (krótkotrwałe)
ródła:
Procesy ł czeniowe bateri kondensatorów
Wyładowania atmosferyczne
Procesy ł czeniowe niektórych urz dze energoelektronicznych
Kondensatory s szeroko stosowane do kompensacji mocy biernej
Cz sto s sterowane zegarem i zał czane o tej samej porze dnia
Zał czenie kondensatorów ma miejsce prawie dla U :
m
Przy schodzeniu si styków ł cznika przerwa izolacyjna (powietrze) zostaje przebite (wyładowanie łukowe) przy maksimum napi cia
Zgodnie z zasad zachowania energi ładunek w kondensatorze nie mo e zmieni si skokowo Napi cie sieci w miejscu doł czenia kondensatora spada do 0 V
... nast pnie narasta w czasie – kondensator si ładuje
Z uwagi na wyst powanie indukcyjno ci w sieci:
Linie
Transformatory
Silniki
Powstaje obwód rezonansowy RLC
Rezystancja jest bardzo mała (minimalizacja strat)
Powstaj oscylacje tłumione
Przepi cia mog osi ga warto do 2 * Um
Typowo 1,3 – 1,4 Um
Taki stan mo e by zinterpretowany przez sterowniki urz dze energoelektronicznych jako stan awaryjny Sterownik wył czy urz dzenie
Je eli za transformatorem, u ko cowego u ytkownika, znajduje si druga bateria kondensatorów, to przepi cia mog si ga 3 – 4 Um
Przepi cie rz du 930 – 1240 V mo e spowodowa uszkodzenie urz dze energoelektronicznych Typowa dioda prostownicza falownika wytrzymuje napi cie 1200 V
Tranzystor 600 V, 1200 V
Ochronnik przepi ciowy (warystor) zmniejsza napi cie do ok.
1,8 U
m
Dla czułych na przepi cia urz dze mo e to by niewystarczaj ce
Nale y zastosowa kilka ochronników od zasilania do miejsca podł czenia urz dzenia Problem rozwi zuj filtry harmonicznych zainstalowane wraz z bateri kondensatorów u ytkownika energi Indukcyjno filtru zmniejsza warto przepi cia
Powa nym ródłem przepi w sieci s wyładowania atmosferyczne
Wysoka warto napi cia mo e powodowa rozległe awarie urz dze
Impedancja uziemienia nie jest nigdy równa zeru, zatem przepływ pr du krótkotrwałego pr du piorunowego przez elementy przewodz ce powoduje powstawanie napi o znacznej warto ci (kilka kV): Bezpo rednie trafienie pioruna w linie napowietrzn powoduje przeskoki napi cia do konstrukcji słupa i pomi dzy przewodami fazowymi
Przepi cie piorunowe mo e rozchodzi si po lini na znaczne odległo ci Trafienie pioruna w obiekt nieb d cy elementem wiod cym pr d mo e spowodowa zaindukowanie przepi cia w sieci
Szybkozmienne przebiegi napi cia przedostaj si do sieci odbiorcy energi na skutek istnienia pojemno ci (pF) mi dzy uzwojeniami transformatora SN/nn
Uzwojenia górne i dolne stanowi dwie okładki kondensatora, a izolacja pomi dzy uzwojeniami – dielektryk Po stronie uzwojenia dolnego (i górnego) nale y zastosowa ochronniki przepi ciowe
Indukcyjno nieliniowa z rdzeniem elaznym
Uzwojenie transformatora na rdzeniu
Dławik stosowany w sieci do ograniczenia warto ci pr du zwarcia
Pojemno ci sieci (130 – 400 [nF / km] linia kablowa)
Wystarczy:
30 m lini kablowej SN i poł czenie uzwojenia górnego w trójk t
Zał czenie jednej fazy nieobci onego transformatora zasilanego lini kablow Zał czenie dwóch faz nieobci onego transformatora zasilanego lini kablow Przepalenie si bezpieczników jednej albo dwóch fazach nieobci onego transformatora Efekty uboczne ferrorezonansu:
Brz czenie uzwojenia – magnetostrykcja
Zmiana wymiarów rdzenia Fe w takt zmian pr du
Nadmierne nagrzewanie si rdzenia (nasycenie magnetyczne)
Uszkodzenie ochronników przepi ciowych
Migotanie wiatła w wyniku szerokich zmian warto ci napi cia
Przepi cie w wyniku ładowania pojemno ci lini
… oraz pr du rozruchowego transformatora i obci e
T = ½ * T50/60Hz
Impuls (pojemno )
Zniekształcenie napi cia (pr d rozruchu)
Typowe zwarcie jednofazowe z ziemi mo e powodowa szybkozanikaj ce przepi cia rz du 115 do 150%
U .
N Decyduje składnik L di/dt
Zasady ochrony przepi ciowej:
Ograniczenie napi cia do bezpiecznego poziomu
Poprowadzenie pr du zakłóceniowego z dala od odbiorników
Poł czenie mas na urz dzeniu
Zlikwidowanie lub zredukowanie pr du płyn cego pomi dzy obwodami mas Zastosowanie filtru dolnoprzepustowego
Ochronniki przepi ciowe:
Utrzymuj warto napi cia w obwodzie
Nieliniowa charakterystyka U = f(I)
Nie pochłaniaj energi przepi cia
Nie odprowadzaj jej do ziemi
Je li nie zapewniono niskiej rezystancji uziemienia
Pr dy płyn ce w wyniku przepi cia powoduj spadki napi na elementach przewodz cych Powinny by zlokalizowane blisko urz dze które maj chroni
Najlepiej na zaciskach zasilania urz dzenia
Czyli wewn trz urz dzenia
Mo na spowodowa , e ochronnik przepi ciowy odprowadzi do ziemi pr d zakłóceniowy Je li rezystancja uziemienia jest wystarczaj co niska
Podczas zakłócenia poziom napi cia lokalnej masy mo e wzrosn o kilka kV
Równie wzgl dem innych mas lub punktów neutralnych
Ochronniki:
Odcinaj ce
Ograniczaj ce
Ochronniki odcinaj ce (iskierniki)
po przekroczeniu pewnej warto ci napi cia nast puje gwałtowny spadek oporu wewn trznego i szybkie przej cie ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia
Zaciski pozostaj zwarte, dopóki pr d nie spadnie do warto ci minimalnej Zalety i wady:
prosta i tania budowa
du a niezawodno
zdolno przewodzenia du ych pr dów awaryjnych
brak przepływu pr du podczas normalnej pracy
silny wpływ czynników rodowiskowych (nie dotyczy o. o. hermetycznych) dosy du a warto napi cia zadziałania i du a tolerancja warto ci napi cia zadziałania wyst powanie tzw. pr du nast pczego
Warto napi cia zapłonu wzrasta ze skróceniem czasu narastania pr du Napi cie zapłonu powy ej ok. 60 V
Ochronniki ograniczaj ce (warystory)
Nieliniowa charakterystyka
Zalety i wady:
brak pr du nast pczego
precyzyjna nastawa napi cia
zapłonu
stosunkowo niedu a warto
napi cia zapłonu
brak opó nienia zapłonu
ochronnika
mniejsza ni przy iskierniku
zdolno odprowadzania
pr du piorunowego
przepływ pr du podczas
normalnej pracy
znaczna pojemno wewn trzna
nie nadaje si dla w. cz.
dla obwodów sygnałowych
wykorzystuje efekt Zenera lub efekt lawinowy
krótki czas zadziałania: 10-12 s
dla napi stałych i przemiennych
mała rezystancja w stanie przewodzenia
nie nadaje si dla w. cz.
rodkiem ochrony przepi ciowej jest równie wł czenie szeregowo z odbiornikiem dławika Szybkonarastaj ce pr dy zakłóceniowe wywołaj na nim spadek napi cia: Izolacja dławika musi by odporna na wysokie napi cie wi ksze od spodziewanego przepi cia rodki ochrony przepi ciowej w elektroenergetyce zawodowej:
Instalacja odgromowa (linie NN, WN, stacje trafo)
Ochronniki przepi ciowe (linie kablowe, transformatory)
Ochronniki przepi ciowe (linie napowietrzne)
Zapobieganie ferrorezonansowi:
Wył czanie transformatora pod obci eniem
Minimalizowanie długo ci lini kablowych zasilaj cych transformator Tłumienie przepi ochronnikami
Wykonywanie ł cze w odpowiedniej kolejno ci
Zniekształcenia kształtu przebiegu rosn im bli ej ko cowego odbiorcy Przyczyniaj si do tego faktu urz dzenia energoelektroniczne
Zniekształcenia stanowi najwi kszy problem odno nie jako ci energi Harmoniczne nie stanowi problemu dla dobrze zbilansowanego systemu energetycznego Mog zakłóca przesył danych i urz dzenia automatyki zabezpieczeniowej W sieci dystrybucyjnej i u ko cowego odbiorcy mog powodowa rezonanse Harmoniczne pojawiaj si na skutek nieliniowej zale no ci pr du od napi cia na odbiorniku Problemy powodowane przez harmoniczne:
Niemo no prawidłowego zidentyfikowania miejsc zerowych przebiegu napi cia i bł dne sterowanie zaworów w układach energoelektronicznych
Pr dy harmoniczne powoduj nadmierne nagrzewanie elementów systemu (np. transformator) Urz dzenie musi pracowa poni ej mocy znamionowej
Napi cia harmoniczne powoduj powstawania pr dów harmonicznych, wywołuj ce przeci enie cz ci systemu
Za dostarczenie pr dów harmonicznych odpowiada odbiorca energi (nieliniowe odbiorniki) Za harmoniczne napi cia odpowiada energetyka zawodowa
Przy wyst powaniu zniekształce harmonicznych, zało enia i zale no ci odno nie pracy systemu e.e. nie s zachowane
Dla przebiegów niezniekształconych:
Dla przebiegów zniekształconych (C. Budeanu, 1927 r.):
Moc odkształcenia (deformacji)
Iloczyny pr dów i napi o ró nych cz stotliwo ciach:
Moc dystorsji:
Moc pozorna:
Czworo cian mocy:
Współczynnik mocy:
Współczynnik obci enia
Współczynnik deformacji:
Utrudniona kompensacja mocy biernej:
Q = 0 (minimalizacja mocy biernej)
K = 0 (minimalizacja mocy deformacji)
Pojemno kompensacyjna:
Bateria kondensatorów poł czona w trójk t:
Zało enie: moc bierna taka sama dla ka dej harmonicznej n:
Pojemno bateri powinna male ze wzrostem n:
W rzeczywisto ci
Pojemno jest niezmienna dla ka dej harmonicznej:
Nie ma technicznej mo liwo ci zrealizowania kondensatora o pojemno ci zale nej od cz stotliwo ci pr du (napi cia)
Mo na tylko skompensowa całkowicie 1 harmoniczn (50 Hz)
i pogodzi si z wi kszymi stratami przesyłu energi elektrycznej Harmoniczne tworz ró ne układy wektorów wiruj cych:
n =1 ,7, 13 ... - składowa zgodna
n = 5, 11, 17 … - składowa przeciwna
n = 3, 9, 15 … - składowa zerowa
W układzie symetrycznym skojarzonym w gwiazd w przewodzie neutralnym płynie pr d stanowi cy sum 3
pr dów 3, 9 … harmonicznej
Nieparzyste harmoniczne rz du 3*n kr
wewn trz układu symetrycznego skojarzonego w trójk t
Współczynnik całkowitych zniekształce harmonicznych:
Y – wielko o podstawowej cz stotliwo ci
1
Y – wielko o cz stotliwo ci harmonicznej
n
Warto skuteczna wielko ci Y:
Obie wielko ci dobrze charakteryzuj efekt cieplny (nagrzewanie) Z punktu widzenia izolacji najwa niejsza jest amplituda napi cia
Zasilacze impulsowe jednofazowe:
Komputery, rtv...
Zasilacz impulsowy jednofazowy (trzecia harmoniczna)
Lampy fluorescencyjne
Trójfazowe nap dy elektryczne z falownikiem
(brak 3 harmonicznej)
Falownik z PWM (wi ksze zniekształcenia harmoniczne)
Zawarto harmonicznych zale na od pr dko ci obrotowej silnika
Nap d z silnikiem pr du stałego
Piec łukowy
Podobnie jak lampy wyładowcze ale pr dy do 60 kA, moce
~100 MVA
Im wi kszy pr d tym ni sza impedancja łuku
Piec indukcyjny
Losowy charakter zmienno ci pr du
ródło harmonicznych i interharmonicznych
Piec indukcyjny
Transformatory, silniki elektryczne pr du zmiennego
Nieliniowa charakterystyka magnesowania (histereza)
THD = 1%
ródło harmonicznych w energetyce zawodowej
System elektroenergetyczny mo e by uwa any jako zbiór: Elementów:
R
LC
ródeł:
Napi cia
Pr du
Harmoniczne o konkretnej cz stotliwo ci mog powodowa powstawanie rezonansów: Napi
Przepi cia
Zagro enie dla izolacji urz dze
Pr dów
Przet enia
Przegrzewanie urz dze
Zadziałanie zabezpiecze nadpr dowych (wył czenie)
Je li R/X = 0,1 to rezonanse s tłumione w wystarczaj cym stopniu Bateria kondensatorów nie jest doł czona bezpo rednio przy transformatorze Wpływ harmonicznych na prac :
Kondensatorów
Pr d wzrasta powy ej warto ci znamionowej
Bateria musi by przewymiarowana
Transformatorów
Zwi kszone straty obci eniowe i w rdzeniu na pr dy wirowe
Przegrzewanie si
Strumienie magnetyczne harmonicznych składowej zerowej mog powodowa indukowanie si pr du w kadzi i nagrzewanie kadzi i oleju lub innych elementów przewodz cych Silniki elektryczne:
Strumienie magnetyczne od harmonicznych indukuj w wirniku pr dy o cz stotliwo ci wi kszej ni podstawowa
Powoduje to straty cieplne, wibracje, hałas
Problemy wyst puj powy ej 8% THD
Urz dzenia telekomunikacyjne:
Nieparzyste harmoniczne 3*n indukuj napi cia w przewodzie neutralnym / ochronnym poł czonym z mas
j. w. ale w przewodach telekomunikacyjnych uło onych na wspólnych słupach z elektroenergetyk Liczniki energi elektrycznej (z wiruj c tarcz )
Zawy anie wskaza
Przyczyny powstawania harmonicznych:
ródło emituj ce harmoniczne o zbyt du ej amplitudzie
Zbyt długa droga przepływu pr du harmonicznego (zakłócenia indukowane) Rezonanse wzmacniaj jedn lub kilka harmonicznych
Sposoby przeciwdziałania:
Zredukowanie pr dów pobieranych przez odbiornik nieliniowy
Filtrowanie lub blokowanie przepływu pr dów harmonicznych,
lokalne wytworzenie pr dów harmonicznych
Eliminacja rezonansów poprzez zastosowanie filtrów, indukcyjno ci lub pojemno ci („przestrojenie obwodów”)
Redukcja pr du odbiornika nieliniowego:
Praca na liniowej cz ci charakterystyki (brak nasycenia)
Wymiana na urz dzenie odpowiednio przewymiarowane
Doł czenie do falownika szeregowego dławika
Odpowiednie kojarzenie uzwoje transformatorów zasilaj cych:
Trójk t
Zygzak
Eliminacja harmonicznych składowej zerowej 3*n
Wymiana urz dze na nowe, o ni szej emisji harmonicznych
Eliminacja rezonansów w systemie elektroenergetycznym:
Zastosowanie filtra szeregowego
Zmiana cz stotliwo ci rezonansowej:
Dławik szeregowy przed bateri kondensatorów
Zmiana pojemno ci bateri
Przeniesienie bateri kondensatorów w inne miejsce w obwodzie
Zmiana stosunku R/X
Usuni cie bateri kondensatorów
wi ksze straty przesyłowe - niski cos
Urz dzenia do eliminacji harmonicznych:
Dławik szeregowy
Jedno uzwojenie na rdzeniu ferromagnetycznym
Przeciwdziała szybkim zmianom pr du
Wymusza przepływ pr du w dłu szym czasie
Redukcja harmonicznych o połow
Eliminuje szybkie stany przej ciowe (przepi cia, komutacje)
Szeregowo w stosunku do odbiorników
Du a impedancja dla pr dów o okre lonych cz stotliwo ciach
Blokuj ich przepływ
Równolegle do odbiorników
Mała impedancja dla pr dów o okre lonych cz stotliwo ciach
Zwieraj je do ziemi (masy)
Filtr równoległy LC
Szeregowe poł czenie L i C
Brak rezystancji R 0
Brak strat
Doł czony równolegle do obwodu
Zwiera pr d o cz stotliwo ci f do masy (ziemi)
0
Pr d ten popłynie poprzez filtr, a nie odbiorniki
Pierwsza i trzecia harmoniczna
Usuwamy 3 harmoniczn :
Decybele
Logarytmiczna miara ilorazu napi , pr dów, mocy
Filtr równoległy LC nastrojony na f = 150 Hz (n=3)
0
Filtr szeregowy LC, f =150 Hz
0
Filtry równoległe
Pr d pierwszej harmonicznej nie płynie przez filtr
Małe straty
Filtry równoległe
Pr dy wszystkich harmonicznych płyn przez filtr
Przenosi cały pr d obci enia
Wi ksze straty
Głównie do obwodów jednofazowych
Dla ka dej harmonicznej oddzielny filtr
Du y koszt urz dze
Filtr dolnoprzepustowy
Tłumi harmoniczne i interharmoniczne powy ej pewnej cz stotliwo ci Filtr dolnoprzepustowy LC
Synteza zniekształconego
przebiegu pr du przy
odbiorniku
Odci enie sieci od poboru
pr du zniekształconego
Brak dodatkowych
rezonansów
Całkowicie konfigurowalny
Du y koszt