Wykład

JAKO

ENERGII

dla studentów kierunku

TECHNOLOGIE ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

dr in . Rafał Korupczy ski

Jako energi

Terminologia

Parametry jako ciowe

Wymagania normatywne

Odbiorniki energi a jako energi

Sposoby poprawy jako ci energi

Pomiary jako ci energi

S. Niest pski i in. „Instalacje elektryczne. Budowa, projektowanie i eksploatacja” OWPW 2005

S. Kujszczyk „Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze”, OWPW 2004

R.C. Dugan, M.F. McGranaghan, S. Santoso, H. W. Beaty, „Electrical Power Systems Quality” McGraw-Hil 2002

S. Chattopadhyay, M. Mitra, S. Sengupta, „Electric Power Quality”, Springer Science 2011

Jako energi elektrycznej odnosi si do utrzymania sinusoidalnego kształtu przebiegów napi i pr dów w sieci elektroenergetycznej o znamionowych amplitudach i cz stotliwo ci Jakiekolwiek odchyłki warto ci pr dów, napi lub cz stotliwo ci w stosunku do warto ci znamionowych mog spowodowa uszkodzenie lub bł dne działanie urz dze

Nowoczesne urz dzenia (elektronika, mikroprocesory) s czułe na zmian parametrów zasilania D enie do poprawy sprawno ci systemu elektroenergetycznego wymusza stosowanie energoelektronicznych układów nap dowych i automatycznych kompensatorów mocy biernej. Zwi ksza to emisj zakłóce do sieci zasilaj cej

W ramach jednego procesu urz dzenia współpracuj ze sob poprzez sieci teleinformatyczne. Bł dne działanie jednego składnika ma znacz ce konsekwencje

Procesy sterowane automatycznie s szczególnie czułe na jako zasilania Ponowne uruchomienie lini produkcyjnej zajmuje kilka godzin i oznacza znacz ce straty finansowe U ytkownicy energi elektrycznej obawiaj si problemów z zasilaniem Rozproszona generacja energi elektrycznej mo e spowodowa obni enie jej jako ci (np. turbiny wiatrowe)

Termin „jako energi ” odnosi si do energi elektrycznej: E = P t = U I t cos

Generatory w elektrowni dostarczaj napi cia (prawie idealnie) sinusoidalnie zmiennego o stałej amplitudzie i cz stotliwo ci

Wytwórca (dystrybutor) energi mo e kontrolowa tylko parametry napi cia Na mocy prawa Ohma: I = U Z -1 przepływ pr du jest skutkiem doł czenia impedancji Z do ródła napi cia U

Parametry pr du zale od impedancji

Pr d płyn cy przez impedancje w s. e. e. mo e spowodowa zakłócenie napi cia Nagły spadek impedancji (zwarcie) mo e spowodowa zanik lub obni enie warto ci napi cia Do pływ energi z zewn trz (piorun) mo e spowodowa wzrost warto ci napi cia Nieliniowa zale no pr du od napi cia dla odbiornika mo e spowodowa odkształcenie przebiegu od sinusoidy

Zatem:

Jako energi elektrycznej = jako napi cia elektrycznego

Wpływ impedancji Z ma kluczowe znaczenie dla utrzymania jako ci energi Odbiorniki u ytkownika energi elektrycznej mog polepsza / pogarsza jako energi

!

"

#

Identyfikacja problemu:

Regulacja napi cia

Asymetria

Zapady napi cia

Przerwy w zasilaniu

Migotanie wiatła

Stany przej ciowe

Zniekształcenia harmoniczne

!

"

#

Ocena problemu:

Pomiary

Zebranie danych

Identyfikacja zakresu rozwi za

Sie przesyłowa

Sie dystrybucyjna

Przył cze

Urz dzenia u ytkownika energi

Konstrukcja urz dze

!

"

#

Wariantowa ocena rozwi za

Symulacja

Analiza

Wybór rozwi zania optymalnego

Ocena ekonomiczna

Stany przej ciowe ( ang. transient)

Impulsowe

Oscylacyjne

Impulsowy stan przej ciowy – nagła i zanikaj ca zmiana napi cia lub (i) pr du nie zmieniaj ca cz stotliwo ci zasilania, o jednej polaryzacji

Powstaje najcz ciej na skutek wyładowa atmosferycznych

Oscylacyjny stan przej ciowy – nagła i zanikaj ca zmiana napi cia lub (i) pr du nie zmieniaj ca cz stotliwo ci zasilania, o polaryzacji dodatniej i ujemnej

Powstaje najcz ciej na skutek ładowania lub przeładowywania pojemno ci (lini , bateri kondensatorów kompensacyjnych) lub wyst pienia ferrorezonansu w nieobci onym transformatorze Długotrwałe zmiany napi cia

Czas trwania powy ej 1 min.

Powoduj zmian warto ci skutecznej napi cia

Przepi cia > 110% UN

Obni enie warto ci napi cia < 90% UN

S skutkiem zmiany obci enia systemu elektroenergetycznego lub przeł cze bateri kondensatorów Przerwy w zasilaniu > 1 min., U = 0 V

S skutkiem awari lub planowanych wył cze

Zwykle same nie przemijaj i wymagaj interwencji człowieka

Krótkotrwałe zmiany napi cia

Spowodowane

Przemijaj cymi stanami awaryjnymi dzi ki wykorzystaniu urz dze elektroenergetycznej automatyki zabezpieczeniowej

Podł czeniem odbiorów o du ym pr dzie rozruchowym

Zaniki napi cia < 1 min., U < 10% UN

Zapady napi cia 10 ms < t < 1 min.

10% U < U < 90% U

N

N

Przepi cia (krótkotrwałe) 10 ms < t < 1 min.

110% U < U < 180% U

N

N

Wyst puj rzadziej ni zapady

Zwykle na skutek wył czania zwar doziemnych

Asymetria napi cia – nierówno warto ci napi i k tów w układzie trójfazowym Wyst puje na skutek doł czenia do sieci odbiorników jednofazowych o du ej mocy np. spawarki, zgrzewarki.

Zniekształcenia kształtu przebiegu napi cia – inny ni idealnie sinusoidalny kształt przebiegu napi cia w czasie

Rodzaje zniekształce :

Składowa stała

Harmoniczne (harmoniki)

Interharmoniczne

Impulsy

Szum

Składowa stała – obecno napi cia stałego w sieci elektroenergetycznej Wyst puje na skutek asymetrycznego obci enia przekształtników energoelektronicznych (trójfazowe nap dy elektryczne, regulatory mocy, ciemniacze)

Powoduje zwi kszone nagrzewanie elementów sieci i korozj elektrolityczne elementów sieci umieszczonych w gruncie - uziomów

Harmoniczna to funkcja sinusoidalnie zmienna o cz stotliwo ci b d cej całkowit wielokrotno ci cz stotliwo ci podstawowej tj. 50 Hz

Druga harmoniczna 2 *50 = 100 Hz

Trzecia harmoniczna 150 Hz

…

Czterdziesta druga 2100 Hz

Ka da funkcja okresowa mo e by na sum funkcji sinusoidalnych: szereg Fouriera Harmoniczne powstaj na skutek nieliniowo ci charakterystyk pr dowo – napi ciowych odbiorników elektrycznych

Współczynnik całkowitych zniekształce harmonicznych pozwala oceni zawarto harmonicznych w przebiegu wielko ci elektrycznej:

THD [%] ang. total harmonic distortion

Szereg Fouriera

lub:

gdzie:

Funkcja parzysta:

x(t) = x(-t)

b = 0, dla n = 1 …

n

Funkcja nieparzysta:

x(t) = -x(-t)

a = 0, dla n = 1 …

n

Funkcja antysymetryczna wzgl dem osi Y:

x(t) = -x(t + ½T )

0

a = b = 0, dla n = 1 …

2n 2n

Funkcja:

Okres T = 2

0

Współczynniki Fouriera:

Szereg:

Widmo amplitudowe:

Funkcja:

Okres T = 2

0

Współczynniki Fouriera:

!

a =

n

b =

n

Widmo amplitudowe (metoda numeryczna fft):

Interharmoniczne – przebiegi sinusoidalnie zmienne, których cz stotliwo ci nie s całkowitymi wielokrotno ciami cz stotliwo ci podstawowej

ródłem interharmonicznych s urz dzenia energoelektroniczne oraz wykorzystuj ce łuk elektryczny: piece łukowe, spawarki

Mog powodowa wyst powanie zjawisk rezonansowych – przepi cia lub przet enia elementów sieci Zakłócenia impulsowe (komutacja) – powodowane przez wielofazowe przekształtniki energoelektroniczne przy przeł czaniu pr du z jednej fazy do drugiej

Wyst puje krótkotrwałe zwarcie obu faz co skutkuje zmniejszaniem napi cia (prawie do 0 V) Ze wzgl du na specyfik zjawiska odró niono je od harmonicznych i interharmonicznych Szum – niepo dany sygnał elektryczny o losowej zmienno ci napi cia (lub pr du) w czasie Zawiera cz stotliwo ci: 0 < f < 200 kHz

ródłami szumu s urz dzenia energoelektroniczne, urz dzenia wykorzystuj ce łuk elektryczny (m. in.

lampy wyładowcze), zasilacze impulsowe

Szum zakłóca prac komputerów, sterowników programowalnych

$

%

Zapady napi cia:

Czas trwania: 0,5 do 30 okresów napi cia sieci (T = 20 ms)

Przyczyna: odł czenie uszkodzonego odcinka sieci lub rozruch odbiorników o du ym pr dzie rozruchowym

Zaniki napi cia:

Wynik wyst pienia awari nieodwracalnych

Krytyczne dla systemów mikroprocesorowych

Przykładowe czasy reakcji EAZ:

Wył czenie wył cznika 6 okresów = 120 ms

Przerwa od 12 okresów = 240 ms do 5 s

Ponowne zał czenie...

Odbiorca energi :

W obwodzie uszkodzonym – zanik

W pobli u – zapad napi cia

$

%

$

%

Dane Statystyczne zapadów napi cia (USA, 1993 r.):

Awarie w lini przesyłowej 31%:

U = 2,2% U

min

N

U = 8,7% U

r

N

T = 5 s = 250 * T50Hz

Awarie w lini równoległej („w pobli u”) 46%

U = 65% U

min

N

U = 90% U

r

N

t = 50 ms = 2,5 * T50Hz

Awarie w instalacji odbiorczej 33%

tylko rejestracja przypadków

Wnioski:

Warto napi cia nie spada do 0 V

Krótki czas wyst powania

Praktycznie nie ma wpływu na maszyny wiruj ce

$

%

Wzgl dna zmiana napi cia przy zwarciu w lini równoległej (USA): $

%

Stopnie ochrony przed skutkami zapadów i zaników napi cia:

Po stronie u ytkownika:

Ochrona dla małych odbiorników S < 5 kVA

N

Ochrona dla indywidualnych odbiorników lub grup odbiorników S < 300 kVA N

Ochrona du ych grup odbiorników lub całej instalacji na niskim napi ciu (nn) Ochrona po stronie redniego napi cia (SN)

$

%

Sposoby ochrony przed skutkami zapadów i zaników napi cia:

Po stronie u ytkownika:

Stosowanie urz dze odpornych na te zjawiska:

Producenci udost pniaj odpowiednie charakterystyki

Stosowania zasilania bezprzerwowego: UPS

U ytkownik / energetyka zawodowa:

Zasilanie z kilku stacji z minimalnym czasem przeł czania

Energetyka zawodowa:

Modernizacja / przebudowa sieci i stacji elektroenergetycznych $

%

Zastosowanie urz dze odpornych na zapad napi cia

Producent dostarcza odpowiednie charakterystyki

$

%

Transformator ferrorezonansowy (stabilizator ferrorezonansowy) Nieliniowa charakterystyka B=f(H) (~u = f(i) – p tla histerezy) Maksymalny strumie magnetyczny w rdzeniu dla

B > B ~ const. dla H > H

R

nas

Wyst pienie rezonansu zale y od warto ci napi cia lub pr du:

U < U rezonans napi I

U

we

N

rez

wy

U > U rezonans pr dów I

U

we

N

rez

wy

$

%

$

%

Cechy stabilizatora ferrorezonansowego:

S < kilka kVA,

U = ±40% U

U

±1,5% U

N

we

N

wy =

N

Sprawno :

89 – 93% przy pełnym obci eniu

60% przy małym obci eniu

Prosta konstrukcja

Brak konserwacji

Zniekształca przebieg napi cia wyj ciowego

Zwi kszone straty cieplne w rdzeniu (nasycenie)

Brz czenie rdzenia i uzwoje w takt zmian pr du

$

%

Zasilacze bezprzerwowe UPS:

off–line

on-line

hybrydowe:

UPS + stabilizator ferrorezonansowy

Systemy gromadzenia energi z kołem zamachowym

( ang. flywheel)

sprz enie mechaniczne:

silnik elektryczny zasilane z sieci energetycznej

masa wiruj ca o du ym momencie bezwładno ci

generator elektryczny

Maksymalny czas podtrzymania warto ci napi cia 10 s do 2 min.

Minimalizacja strat mechanicznych:

praca w pró ni

ło yska magnetyczne

n = 10 000 obr. /min

$

%

Cechy wg producenta:

Trwało : pow. 20 lat

Małe gabaryty

Praca w temperaturach -25 - 40 °C

Nie zanieczyszcza rodowiska

$

%

Magazynowanie energi w polu magnetycznym SMES

( ang. Superconducting Magnetic Energy Storage)

Energia zgromadzona w polu magnetycznym zwartej cewki:

Uzwojenie wykonane z nadprzewodnika

Zerowa rezystancja (t = 138 K, ciekły azot)

Pr d płynie w uzwojeniu niesko czenie długo

Brak strat

Sprawno 95%

Magazyn energi zasila falownik, który wytwarza trójfazowe napi cie przemienne

$

%

Nielimitowana ilo cykli ładowania / rozładowania

Czas ładowania 90 s

E = 3 MJ

U > 25% U

we

N

S < 8 MVA

N

Dotychczasowy

producent

wycofał si

z produkcji ?

$

%

Obni enie pr du rozruchowego silników indukcyjnych:

klatkowych:

rozruch bezpo redni (do 5 kW)

przeł cznik gwiazda – trójk t (do 15 kW, U = 400/690 V):

N

rozruch – gwiazda

praca – trójk t

trzykrotne zmniejszenie pr du i momentu rozruchowego

autotransformator (silniki du ej mocy):

powolne narastanie napi cia zasilaj cego

pier cieniowych:

zmiana rezystancji w obwodzie wirnika

od maksimum do zera

du y moment rozruchowy

pr d rozruchu maksymalnie 2 * IN

układy typu softstart (sterowanie fazowe):

emisja harmonicznych

$

%

Modyfikacja procedur eliminacji stanów awaryjnych

Sekcjonowanie lini zasilaj cych

Mo na wyizolowa uszkodzony odcinek

Samoczynne ponowne zał czanie (SPZ)

Wył cznik ponownie zamyka obwód po zwłoce czasowej

Od jednego do kilku cykli

Pozwala ogranicza skutki awari przemijaj cych

Czas zadziałania 1,5 do 6 *T50/60Hz

Przedłu aj czas ycia bezpieczników topikowych

Koordynacja zabezpiecze

Najszybciej powinno zadziała to zabezpieczenie, które jest najbli ej miejsca awari Ograniczenie pr du poprzez odpowiednio szybkie wył czenie uszkodzonego elementu

$

%

Zapobieganie awariom:

Wycinka drzew w pobli u lini napowietrznych

Czyszczenie izolatorów na obszarach nadmorskich lub zapylonych Stosowanie przewodów odgromowych (linie WN i NN)

Zmniejszanie rezystancji uziemienia słupów i konstrukcji wsporczych Zapobiega wtórnym przeskokom z elementów konstrukcyjnych do elementów wiod cych pr d (przewody, zaciski...)

Zwi kszenie odst pów izolacyjnych

$

%

Stosowanie przewodów izolowanych w liniach napowietrznych nn

Zamiana lini napowietrznych na kablowe

Stosowanie ograniczników przepi :

Iskierniki

Odgromniki wydmuchowe

Warystory

Zwi kszenie szybko ci lokalizacji awari

Optyczne i d wi kowe wska niki zadziałania zabezpiecze

Ekipy monterskie w terenie