A K A D E M I A G Ó R N I C Z O - H U T N I C Z A
i m. S t a n i s ł a w a S t a s z i c a
WYDZIAA
ELEKTROTECHNIKI, AUTOMATYKI, INFORMATYKI i ELEKTRONIKI
K a t e d r a E l e k t r o e n e r g e t y k i
ELEKTROENERGETYCZNE SIECI ROZDZIELCZE
ELEKTROENERGETYCZNE SIECI ROZDZIELCZE
ELEKTROENERGETYCZNE SIECI ROZDZIELCZE
Wykład 9
Wykład 9
Wykład 9
Regulacja napięcia
w sieciach rozdzielczych
W. Szpyra
W. Szpyra
W. Szpyra
B-1, pok. 112b, tel.: [phone], e-mail: [e-mail]
Konsultacje: poniedziałek godz. 1130 � 1300
Kraków, grudzień 2007
Kraków, grudzień 2007
Kraków, grudzień 2007
Literatura
1. Bogucki A., Lawera E., Przygrodzki A, Szewc B.:  Podatność częstotliwościowa i napięciowa
systemu elektroenergetycznego i jego elementów . Politechnika Śląska, skrypty uczelniane nr
1116; Gliwice 1983.
2 Lipart K.:  Charakterystyki statyczne mocy , Praca dyplomowa AGH, Wydz. EAiE, Kraków 1996.
3. Norma PN-IEC60038:1999 Napięcia znormalizowane
4. Norma EN 50160:1999E Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
5. Praca zbiorowa pod red. Kujszczyk Sz.: Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze. Tom 1 i 2. Wyd.
Pol. Warszawskiej, Warszawa 2004
6. Praca zbiorowa: Poradnik In\
yniera Elektryka. Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa
1996
7. Praca zbiorowa: Wytyczne programowania rozwoju sieci rozdzielczych. Instytut Energetyki
Zakład Sieci Rozdzielczych, Warszawa-Katowice 1986
8. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w sprawie szczegółowych
warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Dz. U. Nr 93 poz. 623. z dnia
29.05.2007. (rozporządzenie systemowe). .
9. Szpyra W.:  Optymalna regulacja napięcia w rozległej sieci rozdzielczej średniego napięcia .
Archiwum Energetyki, tom XXIX (2000), nr 1-2, str. 27-47.
10. Szpyra W.:  Optymalna regulacja napięcia sieci rozdzielczej średniego napięcia w warunkach
rynkowych . Rozdział w :  Problemy systemów elektroenergetycznych Pod. red. Kazimierza
Wilkosza. PAN, Komitet Elektrotechniki. Seria wydawnicza Sekcji Systemów
Elektroenergetycznych Komitetu Elektrotechniki PAN. Oficyna Wyd. Pol. Wrocławskiej, Wrocław
2002. Rozdz. 16, str. 409-433.
1
Cel regulacji napięcia
Głównym celem regulacji jest utrzymanie odchyleń napięcia w
granicach dozwolonych przez obowiązujące przepisy.
Dodatkowym celem regulacji napięcia mo\
e być optymalizacja poziomu
napięcia w celu osiągnięcia optimum funkcji celu przyjętego kryterium
optymalizacji, np.:
minimalizacja kosztów strat mocy i energii w sieci,
minimalizacja względnych strat energii w sieci, (maksymalizacja sprawności
dystrybucji energii),
minimalizacja kosztów strat gospodarczych ponoszonych przez odbiorców
minimalizacja kosztów strat gospodarczych ponoszonych przez odbiorców
z powodu odchyleń napięcia od wartości znamionowej,
z powodu odchyleń napięcia od wartości znamionowej,
minimalizacja kosztów ponoszonych przez przedsiębiorstwo sieciowe z
powodu przekroczenia dopuszczalnych odchyleń napięcia (minimalizacja
bonifikat i upustów udzielanych odbiorcom),
minimalizacja kosztów łącznych tj. kosztów strat mocy i energii oraz
bonifikat i upustów udzielanych odbiorcom,
maksymalizacja zysku ze sprzeda\
y energii.
Przepisy regulujące jakość energii
Dopuszczalne wartości odchyleń napięcia od wartości
znamionowej regulują następujące przepisy:
Norma EN 50160:1999E Parametry napięcia zasilającego w
publicznych sieciach rozdzielczych
Norma PN-IEC60038:1999 Napięcia znormalizowane
Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 roku w
sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu
elektroenergetycznego. Dz. U. Nr 93 poz. 623. z dnia 29.05.2007.
(rozporządzenie systemowe).
2
Odchylenia napięcia w świetle obowiązujących przepisów
Z ż 34 rozporządzenia wynika, \
e w ka\
dym tygodniu 95 % ze zbioru 10-
minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno
mieścić się w przedziale odchyleń:
1. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych I i II
przyłączonych do sieci o napięciu znamionowym:
Un = 110 i Un = 220 kV: ą10% Un ,
+5% /-10% Un ;
Un = 400 kV:
2. Dla podmiotów zaliczanych do grup przyłączeniowych III  V
(zasilanych z sieci o napięciu ni\
szym ni\
110 kV): ą10% Un,
W okresie do dnia 31 grudnia 2008 r. dopuszcza się, aby wartość
napięcia znamionowego sieci niskiego napięcia mieściła się w
przedziale 230/400 V +6%/-10%, a od dnia 1 stycznia 2009 r. w
przedziale 230/400 V ą10%.
Dla grupy przyłączeniowej VI parametry techniczne energii elektrycznej
dostarczanej z sieci określa umowa sprzeda\
y energii elektrycznej lub
umowa przesyłowa.
Odchylenie napięcia
Odchylenie napięcia w określonym punkcie sieci jest to ró\
nica
między rzeczywistą wartością napięcia w tym punkcie, a
napięciem znamionowym sieci.
Względna, wyra\
ona w % napięcia znamionowego, wartość
odchylenia napięcia jest równa:
Ur -Un
�U% = �"100%
(1)
Un
Ur  rzeczywista wartość napięcia w danym punkcie sieci;
Ur
Un  napięcie znamionowe sieci.
Odchylenie napięcia mo\
e przyjmować zarówno ujemne jak i
dodatnie wartości.
3
Przyczyny odchyleń napięcia
Głównymi przyczynami odchyleń napięcia od wartości
znamionowej są:
spadki napięcia na elementach sieci:
 liniach "UL,
 transformatorach "UT ,
 dławikach "UD ;
ró\
nice między przekładnią znamionową transformatorów, a
stosunkiem napięć znamionowych sieci łączonych przez te
transformatory �UŃ ;
regulacja napięcia w sieci nadrzędnej (zasilającej) �Uz .
Spadek napięcia na elemencie sieci
"Uf12
Im
"Uf12 Uf1 Ic�X
I=Ic  jIb
"Uf Re
Z=R+jX
Uf2
Uf1 Uf2
Ic
Ib�X
Ib
Ic�R
I
Ib�R
Rys. 1. Schemat zastępczy (reprezentacja jednofazowa) elementu sieci i wykres wektorowy napięć
i prądów.
2
"U = U -U = (U + Ic �" R - Ib �" X) + (Ic �" X - Ib �" R)2 -U E" Ic �" R - Ib �" X (3)
f f 1 f 2 f 2 f 2
Spadek napięcia jest w przybli\
eniu równy podłu\
nej stracie napięcia:
3 �" "U
3 �"(Ic �" R - Ib �" X )100% = P �" R + Q �" X
f
"U% = 100% E" 100% (4)
2
Un Un
Un
Do powy\
szych wzorów wstawiamy:
prąd bierny o charakterze indukcyjnym ze znakiem  minus ,
minus
moc bierną o charakterze indukcyjnym ze znakiem  plus ,
4
Spadek napięcia
Spadek napięcia na elemencie sieci jest to ró\
nica algebraiczna
pomiędzy wartością skuteczną napięcia na początku i na końcu
elementu sieci (np.: linii, transformatora, dławika).
Względna, wyra\
ona w % napięcia znamionowego, wartość
spadku napięcia jest równa:
U1 -U2
"U% = �"100%
(2)
Un
U1  wartość napięcia na początku elementu sieci,
U1
U2  wartość napięcia na końcu elementu sieci,
U2
Un  napięcie znamionowe sieci.
Spadek napięcia na transformatorze
Wartość spadku napięcia na transformatorze mo\
na obliczyć korzystając z
podanej na poprzednim slajdzie ogólnej zale\
ności na spadek napięcia na
elemencie sieci. W tym celu nale\
y najpierw obliczyć rezystancję RT i
reaktancję XT transformatora korzystając z zale\
ności:
2 2
ur �"Un ux �"Un
RT = XT =
(5) (6)
100�" Sn 100�" Sn
"Pk
2 2
ur =
ux = uk - ur (8)
przy czym:
10�" Sn (7)
gdzie:
"Pk
- znamionowe straty obcią\
eniowe (straty w miedzi) transformatora w
[kW],
Un - napięcie znamionowe uzwojenia, dla którego wykonywane są obliczenia
w [kV],
Sn - moc znamionowa transformatora w [MVA],
uk
- napięcie zwarcia transformatora w [%],
ur
- składowa czynna napięcia zwarcia transformatora w [%],
ux
- składowa bierna napięcia zwarcia transformatora w [%].
5
Spadek napięcia na transformatorze
Względną wartość spadku napięcia na transformatorze mo\
na te\
obliczyć
korzystając z zale\
ności:
S
(9)
"UT % = (ur �"cos� - ux �"sin �)�"
Sn
gdzie:
S  obcią\
enie transformatora (nale\
y wstawić w takich samych jednostkach
jak moc znamionowa transformatora);
cos�  cosinus kąta pomiędzy prądem obcią\
enia transformatora, a napięciem
(współczynnik mocy obcią\
enia transformatora);
sin�  sinus kąta pomiędzy prądem obcią\
enia transformatora, a napięciem
(przy obcią\
eniu o charakterze indukcyjnym do wzoru nale\
y wstawiać
sin� ze znakiem  minus ,
pozostałe oznaczenia jak na poprzednim slajdzie.
Wpływ ró\
nicy przekładni transformatora i stosunku napięć
łączonych sieci
Przekładnie znamionowe transformatorów są zazwyczaj ró\
ne od stosunku
napięć znamionowych sieci, dlatego przy ustawieniu przekładni transformatora
na zaczepie zerowym otrzymuje się przyrost napięcia, który mo\
na wyrazić
zale\
nością:
�ł �ł
ŃT
�UŃ = �ł �ł �"100%
(10)
�ł1- ŃS �ł
�ł łł
gdzie:
ŃT  przekładnia znamionowa transformatora,
ŃS  stosunek napięć znamionowych sieci łączonych za jego pośrednictwem.
Dla przykładu przekładnie znamionowe starszych transformatorów stosowanych
w sieci SN wynoszą: ŃT =15,75 kV/0,4 kV lub 21,0 kV/0,4 kV, a stosunek
napięć łączonych sieci: ŃS =15,0 kV/0,4 kV lub 21,0 kV/0,4 kV. Przyrost
napięcia wynosi więc:
�ł 15,75/ 0,4 �ł �ł 21,0 / 0,4 �ł
�UŃ = 1- �ł -5% lub �UŃ = 1- �ł -5%
�ł �"100% = �ł �"100% =
15,0 / 0,4 20,0 / 0,4
�ł łł �ł łł
6
Wpływ ró\
nicy przekładni transformatora i stosunku napięć
łączonych sieci c.d.
Oznacza to, \
e dla uzyskania po stronie dolnego napięcia transformatora
znamionowej wartości napięcia sieci niskiego napięcia, transformator musi być
zasilony napięciem o 5% wy\
szym od napięcia znamionowego sieci SN.
Nowe transformatory instalowane w sieciach rozdzielczych SN mają przekładnie
znamionowe równe: ŃT =15,75 kV/0,42 kV lub 21,0 kV/0,42 kV, W tym
2 2
przypadku przyrost napięcia wynikający z ró\
nicy pomiędzy przekładnią
transformatora, a stosunkiem napięć łączonych sieci wynosi:
�ł 15,75/ 0,42 �ł �ł 21,0 / 0,42 �ł
�UŃ = 1- �ł �"100 = 0% �UŃ = 1- �ł �"100 = 0%
�ł lub �ł
15,0 / 0,4 20,0 / 0,4
�ł łł �ł łł
Przy obowiązującej do 1998 roku wartości napięcia znamionowego w sieci
niskiego napięcia wynoszącej 0,38 kV, przekładnia znamionowa starych
transformatorów dawała zwy\
kę napięcia wynoszącą: �UŃ = 0,25%.
Bilans odchyleń i spadków napięcia
Wartość odchylenia napięcia w danym punkcie sieci określa się na podstawie
bilansu odchyleń i spadków napięcia na drodze od punktu zasilania do tego
punktu:
�Uz
"ULSN
"UT
�UŃ
�UzT "ULnn
k
Rys. 2. Uproszczony schemat fragmentu sieci i bilans odchyleń i spadków napięcia
Przy oznaczeniach jak na rys. 2, odchylenie napięcia w punkcie k sieci niskiego
napięcia wyniesie:
�Uk = �Uz - "ULSN - "UT + �UŃ + �UzT - "ULnn
(11)
Odchylenie napięcia mo\
na zmieniać wpływając bezpośrednio lub pośrednio na
wielkości występujące w powy\
szym wzorze:
 regulacja bezpośrednia i jednocześnie bezinwestycyjna,
 regulacja pośrednia i wymagająca nakładów inwestycyjnych.
7
Środki do regulacji napięcia
Bezinwestycyjnie  wykorzystanie mo\
liwości regulacyjnych
transformatorów:
 110/SN w głównych punktach zasilania sieci - regulacja pod obcią\
eniem
 praktycznie mo\
liwe jest utrzymanie zadanego poziomu napięcia na
szynach SN w GPZ,
 SN/nn  w stanie beznapięciowym (w niektórych sytuacjach mo\
e
zachodzić konieczność zamiany miejscami transformatorów o ró\
nych
zakresach regulacyjnych)  ponoszone są koszty pracy ludzi i sprzętu.
Inwestycyjnie  zastosowanie środków technicznych dla zmniejszenia
(lub kompensacji) spadku napięcia w sieci:
 instalację szeregowych autotransformatorów regulacyjnych (regulacja za
pomocą napięć dodawczych)  kompensacja spadku napięcia,
 instalację baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej,
 instalację kondensatorów szeregowych do kompensacji reaktancji linii,
 wyprowadzenie nowych obwodów z GPZ przejmujących zasilanie części
stacji SN/nn,
 skracanie obwodów sieci niskiego napięcia przez zagęszczenie stacji
SN/nn (budowa nowych stacji).
Regulacja napięcia przez zmianę przekładni transformatorów
Zakres regulacji napięcia przez zmianę przekładni zale\
y od konstrukcji
transformatora.
Transformatory 110kV/SN mają regulację przekładni pod obcią\
eniem w
zakresie: ą10% co 1,25% lub ą16% co 1,25%. Spotykane są równie\
inne
nietypowe zakresy zmian przekładni transformatorów 110kV/SN.
Zmiana przekładni transformatorów 110kV/SN jest dokonywana ręcznie bądz

automatycznie, przy czym dla uniknięcia zbyt częstej zmiany poło\
enia
zaczepów i ich szybkiego zu\
ycia układy regulacji działają z tzw. strefą
nieczułości, np. 0,5% lub 1%.
Transformatory SN/nn umo\
liwiają zmianę przekładni w stanie
beznapięciowym, przy czym zakres zmiany przekładni mo\
e wynosić:
 w transformatorach starszych: �UzT = ą5 lub
 w transformatorach nowych: �UzT = +7,5%;+5%, +2,5%, 0%, -2,5%, .
Mo\
na te\
jeszcze spotkać transformatory 30/6 kV lub 30/15 kV, w których
zakres regulacji przekładni wynosi �UzT = ą2,5%.
Przyrost napięcia spowodowany zmianą przekładni oznaczamy przez �UzT, przy czym
przyrost ten jest dodatni gdy zaczepy zmienimy tak by przekładnia transformatora
(wyra\
ona jako stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego) zmalała,
a ujemny gdy zaczepy są ustawione tak by przekładnia wzrosła.
8
`
Jednym ze środków pozwalających na utrzymanie napięcia w dopuszczalnych
granicach, gdy regulacja w GPZ i zmiana zaczepów transformatorów SN/nn nie
zapewnia utrzymania dopuszczalnych poziomów napięcia, jest instalacja w
głębi sieci szeregowych transformatorów regulacyjnych. Transformatory te są
wyposa\
one w automatyczne układy regulacji pozwalające na zmianę napięcia
w zakresie ą10% w 32 stopniach. Pozwala to na utrzymywanie w danym
punkcie sieci zadanego poziomu napięcia niezale\
nie od zmian obcią\
enia.
Transformatory mogą być budowane jako jednostki jednofazowe lub
trójfazowe. Transformatory trójfazowe, ze względu na cię\
ką budowę i wysokie
koszty są rzadko stosowane. Dla regulacji napięcia w sieci trójfazowej stosuje
się trzy jednostki połączone w trójkąt co pozwala na regulację napięcia w
zakresie ą15%, lub dwie jednostki jednofazowe pracujące w układzie
otwartego trójkąta (regulacja napięcia w zakresie ą10%).
Na rys. 3 pokazano schemat jednofazowego 32-stopniowego transformatora
do regulacji napięcia, na rys. 4 układy połączeń dwóch oraz trzech
jednofazowych transformatorów do regulacji napięcia w sieci trójfazowej i
odpowiadające tym układom wykresy wektorowe napięć, a na rys. 5 widok
transformatora.
Układ połączeń szeregowego transformatora regulacyjnego
Rys. 3. Schemat połączeń jednofazowego transformatora do regulacji napięcia
Uzwojenie szeregowe jest sprzę\
one elektromagnetycznie z uzwojeniem równoległym.
Uzwojenie kontrolne sprzę\
one z uzwojeniem równoległym pełni funkcję przekładnika
napięciowego.
Zmiana kierunku regulacji jest realizowana przez przełączenie przełącznika z pozycji
VI  podwy\
szanie napięcia (ang. voltage increase) w pozycję VR  obni\
anie napięcia
(voltage reduction). Zmiana wielkości napięcia dodawczego odbywa się przez zmianę
zaczepu uzwojenia szeregowego. Dławik słu\
y do ograniczenia prądu zwarciowego
występującego w trakcie przełączania zaczepów.
9
Sposoby włączenia do sieci transformatorów dodawczych
Rys. 4. Układ połączeń jednofazowych transformatorów szeregowych do regulacji napięcia w sieci
SN i odpowiadające tym układom wykresy wektorowe napięć: a) dwa transformatory
połączone w układzie V; b) trzy transformatory połączone w trójkąt.
Rozkład napięcia wzdłu\
linii
Rys. 6. Rozkład napięcia wzdłu\
obcią\
onej w wielu punktach linii SN z zainstalowanym szeregowym
transformatorem regulacyjnym
Firma COOPER POWER SYSTEMS oferuje transformatory na napięcie 6.6, 11, 15, 22 i
33 kV o mocach od 33 do 660 kVA.
W Polsce przedstawicielem firmy jest Zakład Wykonawstwa Sieci Elektrycznych Olsztyn
S.A.
10
Wpływ wzrostu obcią\
enia na zakres regulacji
[www.cooperpower.com]
Szeregowy transformator
regulacyjny
Rys. 5. Widok jednofazowego transformatora regulacyjnego produkcji
firmy COOPER POWER SYTSTEMS [www.cooperpower.com]
11
Regulacja napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej
Regulacja napięcia polega w tym przypadku na zmianie składowej spadku napięcia
powstającej reaktancji elementu sieci w wyniku przepływu przez reaktancję mocy
biernej indukcyjnej, a więc na zmianie składnika Q�"X (Ib�"X ) w zale\
ności (4).
Moc bierną płynącą przez element sieci mo\
na zmienić instalując dodatkowe z
ródło
mocy biernej pojemnościowej w miejscu poboru mocy biernej indukcyjnej. Mo\
na to
zrobić instalując baterię kondensatorów równoległych lub kompensator synchroniczny.
Ideę regulacji napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej ilustruje rys 7.
'
U1' Ik�X
'
U1 Ik�R
1 R X I 2
Ik
U2
I, cos�
I�X
I�R
�
Ik
"U2
I
"U1
Rys. 7. Idea regulacji napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej [5]: a) schemat układu,
b) wykres wektorowy.
Regulacja napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej cd.
Przekształcając zale\
ność (4) mo\
na otrzymać wyra\
enia podające jaką moc bierną
pojemnościową nale\
y dostarczyć aby uzyskać zmniejszenie spadku napięcia
z "U1 do "U2:
Z zale\
ność (4) mamy:
"U2 = Ic �" R - X �"(Ib + Ik )= Ic �" R - Ib �" X - Ik �" X = "U1 - Ik �" X
(12)
"U1 - "U2 R "U2
stąd Ik = = -Ib + Ic �" -
(13)
X X X
Natomiast gdy w obliczeniach korzystamy z mocy odpowiednie zale\
ności będą
następujące:
P �" R + (Q - Qk )�" X P �" R Q �" X Qk �" X X
"U2 = = + - = "U1 - Qk �"
Un Un Un Un Un (14)
Un R Un
stąd Qk = �"("U1 - "U2)= Q + P �" - �" "U2
(15)
X X X
Dla zupełnego skompensowania spadku napięcia tj. dla uzyskania "U2 = 0, załączona
na końcu linii moc bierna powinna być równa:
R
Qk = Q + P �"
(16)
X
12
Regulacja napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej cd.
Kompensacja mocy biernej oprócz zmniejszenia spadków napięcia zmniejsza równie\

straty mocy w sieci.
Kompensacja mocy biernej umo\
liwia zwiększenie przesyłu mocy czynnej w sytuacji
gdy ze względu na obcią\
alność długotrwałą nie jest mo\
liwe zwiększenie obcią\
enia
linii, wówczas przy tej samej mocy pozornej mo\
emy zwiększyć obcią\
enie mocą
czynną zmniejszając moc bierną.
Wadą baterii kondensatorów stosowanych do kompensacji mocy biernej jest
kwadratowa zale\
ność od napięcia mocy biernej dostarczanej przez baterię. Ze
wzrostem obcią\
enia mocą bierną indukcyjną następuje wzrost spadku napięcia na
zaciskach baterii, a w konsekwencji zmniejszenie mocy biernej dostarczanej przez tę
baterię. Dla zapewnienia odpowiedniej kompensacji nale\
ałoby więc zwiększyć moc
baterii, np. włączając kolejny człon baterii wielostopniowej.
Obecnie mo\
liwa jest ciągła regulacja mocy biernej przy pomocy kompensatorów
statycznych sterowanych za pomocą układów tyrystorowych. Nale\
y tu jednak
zaznaczyć, \
e jest to rozwiązanie drogie i jest stosowane wtedy gdy bateria oprócz
funkcji regulacji napięcia spełnia jeszcze inne funkcje np. wchodzi w skład filtrów
wy\
szych harmonicznych w sieciach przemysłowych.
Regulacja napięcia przez zmianę impedancji sieci
Spadek napięcia w linii elektroenergetycznej jest proporcjonalny do prądu (mocy)
płynącego linią i impedancji linii.
Z zale\
ności (4) wynika, \
e dla zmniejszenia spadku napięcia nale\
ałoby zmniejszyć
wartość składnika P�R, przez zmniejszenie wartości rezystancji R obwodu, zmianę
składnika Q�X przez zmianę wartości reaktancji X obwodu, lub zmianę obu tych
wielkości jednocześnie.
Zmniejszenie impedancji obwodu jest mo\
liwe przez okresowe załączenie linii lub
transformatorów równoległych jeśli takie istnieją, na czas zwiększonego obcią\
enia.
Mo\
liwa jest te\
zmiana impedancji przez dokonanie przełączeń w sieci. Nale\
y przy tym
zaznaczyć, \
e przełączenia w sieci dokonywane są sezonowo, a ich głównym zadaniem
jest dostosowanie układu sieci do zmieniającego się obcią\
enia, a zmniejszenie
spadków napięć jest dodatkowym efektem przełączeń.
Zmniejszenie rezystancji linii jest mo\
liwe przez zwiększenie przekroju przewodów,
a więc przez ich wymianę, co wią\
e się z przebudową linii, gdy\
nie zawsze jest mo\
liwe
zawieszenie przewodów o większym przekroju na istniejących konstrukcjach
wsporczych. Zmniejszenie reaktancji linii jest mo\
liwe przez zastosowanie baterii
kondensatorów włączonych w szereg z linią. Ideę regulacji napięcia przez zmianę
reaktancji sieci przedstawiono na rys. 8.
13
Regulacja napięcia przez zmianę reaktancji sieci
Zgodnie z rys. 8a, na podstawie zale\
ności (4)
spadek napięcia po kompensacji wyniesie:
"U2 = Ic �" RL - Ib �"(X - XC )=
L
= Ic �" RL - Ib �" X + Ib �" XC =
(17)
L
= "U1 + Ib �" XC
stąd
"U2 - "U1 Ic "U2
XC = = X - R +
L
Ib Ib Ib (18)
Jeśli zamiast prądów będziemy operować
mocami to zale\
ność (18) przyjmie postać:
Un
XC = ("U1 - "U2)�" =
Q
Rys. 8. Idea regulacji napięcia przez zmianę
(19)
reaktancji sieci [5]: a) schemat
P Un
zastępczy linii z włączoną szeregowo
= X + RL - "U2 �"
L
Q Q
baterią kondensatorów; b) wykres
napięcia wzdłu\
linii; c) wykres
wektorowy napięć.
Regulacja napięcia przez zmianę reaktancji sieci cd.
Dla zupełnego skompensowania spadku napięcia tj. dla uzyskania "U2 = 0 reaktancja
baterii szeregowej powinna być równa:
Ic P
ctg� = =
XC = X - RL �"ctg�
(21) przy czym: (22)
L
Ib Q
Podane wy\
ej zale\
ności są słuszne równie\
dla transformatorów, z tym \
e reaktancja
baterii kondensatorów musi być obliczona na podstawie rezystancji i reaktancji
transformatora sprowadzonych na tę stronę transformatora, po której będzie
instalowana bateria.
Zaletą tego sposobu regulacji napięcia jest natychmiastowa reakcja na zmianę
obcią\
enia i dlatego kondensatory szeregowe są chętnie stosowane do ograniczania
wartości zmian napięcia powodowanych szybkimi zmianami obcią\
enia odbiorników
 niespokojnych .
Kompensacja szeregowa znalazła te\
zastosowanie w długich liniach przesyłowych.
W tym przypadku celem kompensacji jest zwiększenie zdolności przesyłowej linii
(ograniczonej warunkami równowagi pracy układu przesyłowego), a nie zmniejszenie
spadku napięcia.
Do wad kompensacji szeregowej nale\
y zaliczyć mo\
liwość pojawienia się w sieci
ferrorezonansu, w wyniku którego mogą się pojawić przepięcia niebezpieczne dla baterii
kondensatorów. Przepięcia mogą się równie\
pojawić w czasie zwarć lub wyładowań
atmosferycznych. Wynika stąd konieczność stosowania środków ochronny przepięciowej.
14
Wpływ zmian napięcia na moc pobieraną z sieci
Efektem zmian napięcia są zmiany mocy czynnej i biernej pobieranej z sieci
zgodnie z napięciowymi charakterystykami statycznymi [1]:
Pr = Pn �"(1+ ą �" �U),
(23)
Qr = Qn �"(1+ � �" �U),
(24)
Pr, Qr  odpowiednio moc czynna i bierna pobierana z sieci przy napięciu Ur ,
Pn, Qn  odpowiednio moc czynna i bierna pobierana z sieci przy napięciu Un,
ą, �  odpowiednio współczynniki nachylenia napięciowej charakterystyki statycznej
pobieranej mocy czynnej i biernej,
�U  względna wartość odchylenia napięcia od wartości znamionowej:
Ur - Un
�U = ,
(25)
Un
Ur, Un  odpowiednio rzeczywista i znamionowa wartość napięcia.
Tabela. 1. Współczynniki napięciowych charakterystyk statycznych dla odchyleń: ą5%
wg Bogucki A. i inni, [1] wg Lipart K. [2]
Współczynnik
Szczyt Szczyt Poza Szczyt Szczyt Poza
ranny wieczorny szczytem ranny wieczorny szczytem
0.6 1.55 1.55 1.15 2.25 0.95
ą
2.3 2.3 2.3 5.95 2.6 2.3
�
Wpływ regulacji napięcia na pracę sieci
a) T
L
O
b) ZL=RL+jXL ZT=RT+jXT ŃT
Uz UT Uo
So
YT=GT+jBT
Rys. 9. Obwód sieci SN i jego schemat zastępczy
Mo\
na rozwa\
yć dwa skrajne przypadki regulacji napięcia:
a) zmiana napięcia zasilającego Uz przy jednoczesnej zmianie przekładni ŃT ,
tak by napięcie na zaciskach odbioru: Uo = const,
b) zmiana napięcia zasilającego Uz przy niezmienionej przekładni ŃT:
Uo `" const.
15
Zmiany napięcia, a straty (Uo = const)
10
Ts = 3000 h/a (wariant +5%)
Ts = 4000 h/a (wariant +5%)
8
Ts = 5000 h/a (wariant +5%)
6 Ts = 3000 h/a (wariant -5%)
Ts = 4000 h/a (wariant -5%)
4
Ts = 5000 h/a (wariant -5%)
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Stopień obcią\
enia transformatora, w % Sn
Rys. 10. Względna zmiana strat energii w układzie przesyłowym z rys. 9 w funkcji stopnia
obcią\
enia transformatora przy zmianie napięcia zasilającego Uz i jednoczesnej zmianie
przekładni transformatora Ń (Uo =const).
Zmiany napięcia, a straty (Uo = const)
a)
b)
10 10
Ts = 3000 h/a (wariant +5%) Ts = 3000 h/a (wariant +5%)
Ts = 4000 h/a (wariant +5%) Ts = 4000 h/a (wariant +5%)
8 8
Ts = 5000 h/a (wariant +5%)
Ts = 5000 h/a (wariant +5%)
Ts = 5000 h/a (wariant -5%)
6 6 Ts = 3000 h/a (wariant -5%)
Ts = 4000 h/a (wariant -5%)
Ts = 4000 h/a (wariant -5%)
4 Ts = 3000 h/a (wariant -5%) 4
Ts = 5000 h/a (wariant -5%)
2
2
0
0
-2
-2
-4
-4
-6
-6
-8
-8
-10
-10
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Stopień obcią\
enia transformatora, w % Sn
Stopień obcią\
enia transformatora, w % Sn
Rys. 11. Względna zmiana strat energii w układzie przesyłowym z rys 9 w funkcji stopnia
obcią\
enia transformatora przy zmianie napięcia zasilającego Uz i przekładni
transformatora Ń: a) długość linii l = 1 km, b) długość linii l = 2 km.
16
Wzgl
ę
dnia zmiana strat energii, w %
Wzgl
ę
da zmiana strat energii, w %
Wzgl
ę
dnia zmiana strat energii, w %
Zmiany napięcia, a straty (Uo `" const)
16
14
12
10 Ts=5000h/a (wariant "+5%")
Ts=4000h/a (wariant "+5%")
8
Ts=3000h/a (wariant "+5%")
6
Ts=3000h/a (wariant "-5%")
4
Ts=4000h/a (wariant "-5%")
2
Ts=5000h/a (wariant "-5%")
0
-2
-4
-6
-8
-10
-12
-14
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Stopień obcią\
enia transformatora, w % Sn
Rys. 12. Względna zmiana strat energii w układzie przesyłowym w funkcji stopnia obcią\
enia
transformatora przy zmianie napięcia zasilającego Uz o ą5% i przy stałej przekładni
(Ń = const).
Zmiany napięcia, a zysk ze sprzeda\
y energii (Uo `" const)
8
Ts=5000h/a (wariant "+5%")
6
Ts=4000h/a (wariant "+5%")
Ts=3000h/a (wariant "+5%")
4
Ts=3000h/a (wariant "-5%")
Ts=4000h/a (wariant "-5%")
2
Ts=5000h/a (wariant "-5%")
0
-2
-4
-6
-8
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Stopień obcią\
enia transformatora, w %Sn
Rys. 13. Względna zmiana zysku ze sprzeda\
y energii w układzie przesyłowym w funkcji stopnia
obcią\
enia transformatora przy zmianie napięcia zasilającego Uz o ą5% i przy stałej
przekładni (Ń = const).
17
Wzgl
ę
dna zmiana strat energii, w %
Zmiana zysku, w %
Optymalna regulacja napięcia
Zadaniem optymalnej regulacji napięcia jest znalezienie wartości napięć na
szynach SN w stacji 110kV/SN zasilającej sieć oraz nastaw przekładni
wszystkich transformatorów ŚN/nN zasilanych z sieci, przy których funkcja celu
określonego kryterium jakości regulacji osiąga wartość optymalną, a odchylenia
napięcia w ka\
dym punkcie sieci mieszczą się w dopuszczalnym przedziale.
Kryteria optymalnej regulacji napięcia [9], [10]:
(1) Minimalizacja kosztów strat mocy i energii w sieci ponoszonych przez spółkę
dystrybucyjną: min { K"P + K"A };
"E
(2) Minimalizacja względnych strat energii w sieci: ;
minńł �ł
�ł żł
E
ół �ł
(3) Maksymalizacja zysku osiąganego przez spółkę dystrybucyjną ze sprzeda\
y energii
elektrycznej max { ZSD };
(4) Minimalizacja kosztów strat gospodarczych powstających u odbiorców na skutek
odchylenia napięcia zasilającego od wartości znamionowej min { KGodb};
(5) Minimalizacja kosztów łącznych, tj. kosztów strat mocy i energii w sieci spółki
dystrybucyjnej oraz kosztów strat gospodarczych ponoszonych przez odbiorców
(minimalizacja sumy kosztów z kryteriów (1) i (4)): min { K"P + K"A+ KGodb };
(6) Minimalizacja kosztów spółki dystrybucyjnej, tj. kosztów strat mocy i energii w sieci
oraz kosztów bonifikat (upustów) udzielanych odbiorcom za przekroczenie
dopuszczalnych odchyleń napięcia: min { K"P + K"A+ KU odb}
Przykład 1.
Obwód sieci 15 kV składa się z NL = 56
odcinków linii o łącznej długości (wraz z
odczepami) L = 9.26 km, zasila NT = 29
stacji transformatorowych 15/0.4 kV.
Suma mocy transformatorów SN/nn
wynosi ŁSn = 6.8 MVA.
Rys. 14. Schemat sieci do przykładu 1.
Odchylenie napięcia zasilającego
Wielkość
5.0 4.0 3.0 2.0 1.0 0 -1.0 -2.0 -2.5
Zmiana w %
Energia wprowadzona do sieci 6.89 5.52 4.14 2.76 1.38 0 -1.38 -2.76 -3.49
Energia oddana z sieci 6.95 5.56 4.17 2.78 1.39 0 -1.39 -2.78 -3.52
Względne straty energii -1.52 -1.22 -0.93 -0.62 -0.31 0 0.32 0.64 0.82
Zysk 6.98 5.58 4.19 2.79 1.40 0 -1.40 -2.79 -3.53
Straty całkowite 5.33 4.27 3.21 2.14 1.07 0 -1.08 -2.16 -2.73
Straty obcią\
eniowe 4.10 3.30 2.49 1.67 0.84 0 -0.85 -1.71 -2.17
Straty obcią\
eniowe w liniach 4.12 3.31 2.50 1.68 0.84 0 -0.85 -1.72 -2.18
Straty obcią\
eniowe w transf. 4.05 3.26 2.46 1.65 0.83 0 -0.84 -1.69 -2.14
Straty jałowe w transf. 10.40 8.28 6.18 4.10 2.04 0 -2.02 -4.02 -5.08
18
Wpływ zmiany napięcia w GPZ na straty
12.0
Straty jałowe
10.0
Straty całkowite
Straty obcią\
eniowe
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0
-4.0
-6.0
-3.0 -2.0 -1.0 0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0
Odchylenie napięcie na szynach ŚN w GPZ, w %
Rys. 15. Wpływ zmian napięcia zasilającego obwód na straty energii w obwodzie,
Wpływ zmiany napięcia w GPZ na sprzeda\
energii
7.00
Zysk
6.00
Energia oddana z sieci
5.00
Energia wprowadzona do sieci
Względne straty energii
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
-1.00
-2.00
-3.00
-4.00
-3.00 -2.00 -1.00 0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00
Odchylenie napięcia na szynach ŚN w GPZ, w %
Rys. 16. Wpływ zmian napięcia zasilającego obwód na zysk z obrotu energią, energię
wprowadzoną do sieci i oddaną z sieci oraz względne straty energii.
19
Zmiana strat w %
Zmiana, w %
Wybór kryterium
Podane kryteria mogą dawać ró\
ne (nawet przeciwstawne) wskazania regulacji
napięcia w GPZ oraz nastaw przekładni transformatorów ŚN/nN.
Dla odbiorcy energii najkorzystniejsza byłaby regulacja napięcia według
kryterium minimalizacji odchyleń napięcia od wartości znamionowej (4);
Z punktu widzenia spółki dystrybucyjnej regulacja napięcie powinna się
odbywać według kryteriów (1) � (3) lub (6);
Ze względu na koszty społeczne napięcie powinno być regulowane według
kryterium (5).
Skutki podwy\
szenia napięcia sieci nn
Od 1 stycznia 2004 obowiązuje nowa, wy\
sza o 5% wartość napięcia
znamionowego w sieci nn. Zasadniczym efektem podwy\
szenia napięcia jest
wzrost mocy czynnej i biernej pobieranej z sieci, a w konsekwencji:
ilości energii pobieranej z sieci przez odbiorców,
spadków napięć,
strat mocy i energii w sieci,
Z punktu widzenia odbiorców energii istotny jest wzrost kosztów
zaopatrzenia w energię elektryczną.
Przedsiębiorstwa sieciowe poniosły koszty związane z regulacją napięcia w
sieci tak, by dotrzymać warunków wynikających z rozporządzenia
przyłączeniowego, niezale\
nie od tego czy zysk z obrotu energią wzrośnie czy
się zmniejszy. Są to koszty:
1. Pomiarów i analiz dotyczących warunków pracy sieci SN i nn, które
powinny być wykonane dla określenia środków technicznych i
organizacyjnych niezbędnych dla spełnienia tych wymagań;
2. Realizacji tych działań.
20
Przykład 2
Sieć SN zasilana ze stacji 110/15 kV składa się z 7 obwodów o łącznej długości linii ok.
168 km, zasila 136 stacji transformatorowych 15/0.4 kV o łącznej mocy transformatorów
zainstalowanych w tych stacjach 11.2 MVA (rys. 17). Obliczenia wykonano w dwóch
wariantach:
w1 - dla starego napięcia znamionowego sieci nn : Unn = 220/380 V;
starego
w2 - dla nowego napięcia znamionowego sieci nn: Unn = 230/400 V.
Obliczenia wykonano dla kryterium maksymalizacji zysku z obrotu energią.
Wariant w1 Unn = 220/380 V Wariant w2 Unn = 230/400 V
Przyrost
energii
Strefa UGPZ P A UGPZ P A
kV kW MWh kV kW MWh %
sr 15.28 5179.6 3065 15.75 5221.8 3123 1.89
sw 15.50 5602.3 3642 15.90 5968.5 3880 6.53
sp 15.75 3929.9 15280 15.84 4003.4 15404 0.81
Razem  21987  22407 1.91
Przykład 2.
Rys. 17. Schemat topograficzny sieci do przykładu 2.
21
Podsumowanie
Podane kryteria mogą dawać ró\
ne (nawet przeciwstawne) wskazania
regulacji napięcia w GPZ oraz nastaw przekładni transformatorów ŚN/nN.
Bez wykonania obliczeń nie jest mo\
liwe jednoznaczne określenie skutków
regulacji.
Dla odbiorcy energii najkorzystniejsza byłaby regulacja napięcia według
kryterium minimalizacji odchyleń napięcia od wartości znamionowej (4);
Z punktu widzenia spółki dystrybucyjnej regulacja napięcie powinna się
odbywać według kryteriów (1) � (3) lub (6);
Ze względu na koszty społeczne napięcie powinno być regulowane według
kryterium (5).
Regulacja napięcia w sieci rozdzielczej wpływa zarówno na straty mocy
i energii w sieci jak i na pobór mocy i energii z tej sieci, a tym samym na
koszty i przychody,
W skrajnym przypadku regulacja napięcia powodująca zmniejszenie strat
mocy i energii mo\
e spowodować zmniejszenie przychodów z obrotu energią
i pogorszenie efektywności w sensie ekonomicznym.
Dziękuje za uwagę
Dziękuje za uwagę
22