S1  semestr IV
S1  semestr IV
ELEKTROENERGETYKA -
ELEKTROENERGETYKA -
Przesył i rozdział energii elektrycznej
Przesył i rozdział energii elektrycznej
dr hab. Irena Wasiak, prof. nadzw.
dr hab. Irena Wasiak, prof. nadzw.
Instytut Elektroenergetyki
1
Zakres przedmiotu
Zakres przedmiotu
Część I. Charakterystyka systemu elektroenergetycznego
Ogólne wiadomości o systemie elektroenergetycznym
Budowa sieci elektroenergetycznych: linie, stacje
Część II. Podstawowe obliczenia elektryczne
Schematy zastępcze elementów sieci
Obliczanie rozpływów prądów i spadków napięć
Obliczanie strat mocy i energii
Obliczanie prądów zwarć symetrycznych
Część III. Praca sieci elektroenergetycznych
Jakość zasilania
Gospodarka mocÄ… i energiÄ… biernÄ…
Regulacja częstotliwości
Regulacja napięcia
Praca punktu neutralnego sieci
Część IV. Generacja rozproszona, mikrosystemy
2/30
Zasady zaliczenia przedmiotu
Zasady zaliczenia przedmiotu
Wykład z Elektroenergetyki zaliczany jest na podstawie egzaminu pisemnego,
składającego się z dwóch części: część I  Wytwarzanie oraz część II  Przesył i
rozdział energii elektrycznej. Każda część oceniana jest odrębnie, przy czym dla
uzyskania oceny pozytywnej wymagane jest zaliczenie obu części składowych.
Egzamin z części II przeprowadzany jest w formie testu zawierającego pytania z
teorii i krótkie przykłady obliczeń praktycznych. Pytania są punktowane, przy
czym do otrzymania oceny pozytywnej konieczne jest uzyskanie conajmniej 50%
maksymalnej liczby punktów.
Warunkiem przystąpienia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń
A
ączna ocena z przedmiotu obejmuje oceny z wykładu, ćwiczeń
i laboratorium.
Wymagania wstępne konieczne do opanowania przedmiotu: Elektrotechnika I, II
3/30
Literatura
Literatura
Literatura podstawowa
1. Wasiak I.: Elektroenergetyka w zarysie. Przesył i rozdział energii elektrycznej,
skrypt w wersji elektronicznej, A
ódz
, 2010
2. Praca zbiorowa pod redakcjÄ… Sz. Kujszczyka: Elektroenergetyczne sieci
rozdzialecze, Wyd. P.W., Warszawa, 2004
3. Niebrzydowski J.: Sieci elektroenergetyczne, Wyd. P. B., Białystok 2000
4. Kinsner K. i in.: Sieci elektroenergetyczne, Wyd. P.Wr., Wrocław 1993
Literatura uzupełniająca
1. Praca zbiorowa: Elektroenergetyczne układy przesyłowe, WNT, 1997
2. Cegielski M.: Sieci i systemy elektroenergetyczne. PWN, Warszawa 1979
3. Nasar A. S.: Electric Energy Systems, Prentice-Hall, New Jersey 1996
4/30
CZ
ŚĆ I. CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU
CZ
ŚĆ I. CHARAKTERYSTYKA SYSTEMU
ELEKTROENERGETYCZNEGO
ELEKTROENERGETYCZNEGO
Wiadomości ogólne o systemie
Wiadomości ogólne o systemie
elektroenergetycznym
elektroenergetycznym
5
SEE - rys historyczny
SEE - rys historyczny
....VI w p.n.e.  odkrycie zjawiska elektryczności statycznej: Tales z
Miletu zaobserwował, że potarty bursztyn przyciąga kawałki trawy
1800  Allessandro Volta skonstruował pierwszą baterię
1827  George Ohm odkrył, że prąd płynący przez przewodnik jest
proporcjonalny do przyłożonego napięcia i odwrotnie proporcjonalny
do rezystancji przewodnika
1831  Michael Faraday zademonstrował podstawy maszyny
indukcyjnej i transformatora
1864  James Maxwell opublikował podstawowe
prawa elektromagnetyzmu
1866  Siemens wynalazł prądnicę prądu stałego
6/30
SEE  rys historyczny
SEE  rys historyczny
1876  Alexander Bell wynalazł telefon
1879  Thomas Edison skonstruował żarówkę,
Thompson, Westinghouse i Stanley zbudowali transformator
1882  uruchomiono pierwszÄ… liniÄ™ rozdzielczÄ… na
Manhattanie w Nowym Yorku do zasilania prÄ…dem
stałym oświetlenia domów na obszarze 1/6 mili kw.
1881  Francuz Lucien Gaulard i Anglik John D. Gibbs
opatentowali w Anglii układ przesyłowy prądu przemiennego
1882  zbudowano pod Monachium liniÄ™
o napięciu 2 kV, długości 57 km
7/30
SEE  rys historyczny
SEE  rys historyczny
1884 - zbudowano drugÄ… liniÄ™ 2 kV we WÅ‚oszech, z Turynu
do Lanzo, o długości 40 km. Zaczął upowszechniać się prąd
przemienny.
1885  Westinghouse zakupił patent od Gaularda i Gibbsa
1886 - Stanley zbudował pierwszy układ przesyłowy prądu
przemiennego w Massachusetts w USA, o długości 4000 stóp.
Wykorzystał transformator do transformacji napięcia
generatorowego na napięcie przesyłowe 3 kV, a następnie
drugi transformator do zmiany napięcia na poziom użytkowy
500V.
1885  Nicola Tesla wynalazł wielofazowy system prądu
przemiennego
8/30
SEE  rys historyczny
SEE  rys historyczny
1888  Doliwo-Dobrowolski zbudował prądnicę i silnik prądu
przemiennego 3-fazowego.
1891  zbudowano pierwszą 3-fazową linię napowietrzną, o napięciu
8,5 kV, zasilajÄ…cÄ… wystawÄ™ we Frankfurcie nad Menem z elektrowni
wodnej w Lauffen, odległej o 175 km.
Od tego czasu datuje się szybki rozwój układów przesyłowych
3-fazowych. Budowano linie na coraz wyższe napięcia:
60 kV  w roku 1900, 110 kV  w roku 1910,
220 kV w latach 1925-1928, 380 kV w roku 1952 (w Swecji),
750 kV w roku 1965 (w Kanadzie).
Zwiększano moce i napięcia generatorów, następowała normalizacja
napięć i częstotliwości.
9/30
Rozwój SEE w Polsce
Rozwój SEE w Polsce
PoczÄ…tki elektroenergetyki polskiej  lata 1890...
1889  pierwsza elektrownia użyteczności publicznej w Szczecinie
1907  uruchomienie pierwszej elektrowni w A
odzi
Budowano sieci prądu stałego i przemiennego lokalne, o różnych
napięciach, od 1 do 6 kV. Napięcie użytkowe wynosiło 120 V.
1930  pierwsza rozdzielnia napowietrzna i linia 60 kV
1937  zbudowano pierwszą linię napowietrzną o napięciu 150 kV
1954  wprowadzono napięcie 220 kV
1964  zbudowano pierwsza liniÄ™ napowietrznÄ… 400 kV
1983 - uruchomiono elektrownię Bełchatów: 2 bloki po 360 MW
1984  zbudowano liniÄ™ 750 kV
10/30
SEE - pojęcia podstawowe
SEE - pojęcia podstawowe
System elektroenergetyczny (SEE) jest to zbiór
urządzeń przeznaczonych do wytwarzania, przesyłu
i rozdziału energii elektrycznej, połączonych ze sobą
funkcjonalnie w celu realizacji procesu ciągłej dostawy
energii elektrycznej o odpowiedniej jakości odbiorcom.
Podział SEE:
" Podsystem wytwórczy  wytwarzanie energii
elektrycznej Ò! elektrownie
" Podsystem przesyłowo-rozdzielczy  przesył
i rozdziaÅ‚ energii Ò! sieci elektroenergetyczne (SE)
11/30
SE - pojęcia podstawowe
SE - pojęcia podstawowe
Odbiornik jest urzÄ…dzeniem przemieniajÄ…cym energiÄ™ elektrycznÄ…
na inny rodzaj energii użytecznej.
Odbiór to zespół odbiorników stanowiących z punktu widzenia
zasilania jedną całość; inaczej moc lub energia pobierana z
określonego punktu sieci.
Odbiorca to osoba fizyczna lub prawna, która zawarła z
dostawcÄ… umowÄ™ o dostawÄ™ energii.
Dostawcą jest właściwy terytorialnie zakład energetyczny
12/30
Konwencjonalny system elektroenergetyczny
Konwencjonalny system elektroenergetyczny
Cechy systemu tradycyjnego:
Wytwarzanie energii w dużych
elektrowniach i elektrociepłowniach
konwencjonalnych
Przesył energii na duże odległości
(4 stopnie transformacji)
Zcentralizowane sterowanie
Zcentralizowana struktura wytwarzania wymaga odpowiedniej
rozbudowy sieci przesyłowych i dystrybucyjnych.
13/30
Cechy SEE
Cechy SEE
1. Bilans mocy i energii
Ilość energii wyprodukowanej w danym czasie musi być równa ilości
energii przetworzonej w odbiornikach i traconej na drodze przesyłu.
W dowolnym odcinku czasu musi być spełniony bilans energii
elektrycznej, a w każdej chwili czasowej - bilans mocy.
Część produkowanej energii elektrycznej jest wymieniana z
zagranicą. W roku 2011 wystąpiła przewaga eksportu nad
importem.
Bilans energii za rok 2011 stanowi łączna produkcja energii równa
163 153 GWh, krajowe zużycie energii 157 910 GWh, oraz bilans
wymiany z zagranicÄ… - 5242 GWh.
14/30
Struktura mocy osiÄ…galnej
Struktura mocy osiÄ…galnej
Suma mocy osiągalnej w KSE wyniosła 37 010 MW
15/30
Bilans mocy i energii
Bilans mocy i energii
Struktura dostaw energii elektrycznej odbiorcom w krajowym SEE
w roku 2008
Energia Energia
Rodzaj odbiorcy
[TWh] [%]
Odbiorcy na WN (wysokie napięcie)* 12,9 12,7
Odbiorcy na SN (średnie napięcie)* 36,7 35,7
Odbiorcy na nn (niskie napięcie)* 50,6 50,0
w tym gospodarstwa domowe 28,3 27,9
16/30
Cechy SEE
Cechy SEE
2. Zmienność obciążenia
Zapotrzebowanie na moc czynnÄ… i biernÄ… w systemie
elektroenergetycznym zmienia siÄ™ w czasie, w charakterystyczny
dla rozpatrywanego okresu sposób.
Wykres obciążenia: P=f(t)
Charakterystyczne wielkości wykresu obciążenia SEE:
Pmax  szczyt obciążenia
Pmin  dolina obciążenia
"t
Pdt
Pśr  moc średnia
t
+"
A
0
Pśr = =
"t "t
3. Rozległość terytorialna
17/30
Zmienność obciążenia
Zmienność obciążenia
Dobowe wykresy obciążenia w krajowym SEE.
y
ródło: PSE Operator S.A
18/30
Zmienność obciążenia
Zmienność obciążenia
Zmiany mocy szczytowej w poszczególnych miesiącach roku
19/30
Wymagania stawiane SEE
Wymagania stawiane SEE
System elektroenergetyczny ma kluczowe znaczenie dla
funkcjonowania państwa i życia jego obywateli. W związku z tym
musi on spełniać szereg wymagań technicznych, zapewniających:
bezpieczeństwo użytkowania
SEE zaprojektowany, zbudowany i eksploatowany w taki sposób, aby zapewnione
były warunki bezpieczeństwa na każdym poziomie napięcia
wymaganą jakość i niezawodność dostawy energii elektrycznej
Energia elektryczna jest produktem, można więc przypisać jej - jak każdemu
produktowi  pewne cechy jakościowe. Cechami jakościowymi energii są
parametry napięcia zasilającego: wartość skuteczna, częstotliwość, kształt krzywej,
symetria napięć 3-fazowych. Określone są dopuszczalne wartości parametrów,
tzw. standardy jakościowe.
elastyczność
racjonalność gospodarczą.
20/30
Charakterystyka SE
Charakterystyka SE
Sieć elektroenergetyczna (SE) jest to zespół urządzeń służących do
przesyłu, rozdziału i przetwarzania energii elektrycznej wytworzonej
w elektrowniach i zużywanej w odbiornikach. SE łączą więc
elektrownie z odbiornikami energii elektrycznej.
Do przesyłu i rozdziału energii wykorzystywane są powszechnie
układy prądu przemiennego. Przesył odbywa się liniami
elektroenergetycznymi napowietrznymi i kablowymi, rozdział
następuje w stacjach elektroenergetycznych.
Sieć elektroenergetyczna jest 3-fazowa i wielonapięciowa.
Można wyróżnić dwie podstawowe konfiguracje SE: otwartą
i zamkniętą, o różnych układach połączeń.
21/30
Sieci o konfiguracji otwartej
Sieci o konfiguracji otwartej
Układ magistralny
Układ promieniowy
Układ magistralny rozgałęziony
22/30
Sieci o konfiguracji zamkniętej
Sieci o konfiguracji zamkniętej
Układ magistralny
Układ pętlowy
Układ oczkowy
23/30
Napięcia znamionowe SE
Napięcia znamionowe SE
W krajowym SEE występują sieci o następujących napięciach
znamionowych (wg PN-IEC 60038:1999 )
400, 220 kV - napięcia najwyższe (NN)
110 kV - napięcia wysokie (WN)
30, 20, 15, 10, 6 kV - napięcia średnie (SN)
1, 0,69, 0,40 kV - napięcia niskie (nn)
O wyborze poziomu napięcia decyduje wartość mocy, która ma zostać przesłana. Im
wyższe jest napięcie sieci tym wartość przesyłanej mocy jest większa (przy
ograniczeniu prądu stanowiącego długotrwałe obciążenie przewodów). Ponadto,
zwiększenie napięcia przy określonej wartości mocy powoduje zmniejszenie strat
mocy i energii na drodze przesyłu (przy dwukrotnym wzroście napięcia straty
mocy maleją czterokrotnie). Dlatego też, w miarę wzrostu mocy zapotrzebowanej i
wytwarzanej w SEE, następowało wprowadzanie coraz wyższych napięć
znamionowych.
24/30
Struktura systemu elektroenergetycznego
Struktura systemu elektroenergetycznego
SE 6 kV
SE 220 kV
SE 110 kV SE 15 kV
SE 400 kV
SE 0,4 kV
Końcowy fragment sieci rozdzielczej niskiego napięcia stanowi sieć odbiorcy 
instalacja elektryczna. W zależności od wykorzystywanych odbiorników instalacje
25/30
elektryczne wykonywane sÄ… jako 3-fazowe lub jednofazowe.
Sieci przesyłowe
Sieci przesyłowe
26/30
Sieci przesyłowe
Sieci przesyłowe
Sieci przesyłowe realizują zadania
przesyłu energii elektrycznej.
Napięcia: 400 i 220 kV
Budowa: głównie sieci
napowietrzne,
kablowe 110 kV  ok. 50 km
Konfiguracja: układy zamknięte
Statystyka
Długość linii:
750 kV  114 km
400 kV - 68 linii, 5031 km
220 kV  167 linii, 7908 km
Liczba stacji najwyższych napięć -
106
27/30
Sieci rozdzielcze
Sieci rozdzielcze
Napięcia:
Statystyka
" 110 kV - sieć przesyłowo-
rozdzielcza
" Linie napowietrzne
" SN - sieci rozdzielcze
SN - ok. 223600 km
" nn - instalacje elektryczne
nn - ok. 283300 km
Budowa: sieci napowietrzne i
" Linie kablowe
kablowe
SN - ok. 53160 km
Konfiguracja:
nn - ok. 102070 km
" 110 kV - sieć zamknięta
" Liczba stacji
" SN - budowane w układach
o górnym napięciu:
zamkniętych, pracują jako otwarte
110 kV - 1295
" nn - otwarte
SN - 216868
28/30
Przesył prądem stałym
Przesył prądem stałym
Polski SEE połączony jest za pomocą kabla stałoprądowego 450 kV
z systemem szwedzkim.
Zalety przesyłu prądem stałym:
Możliwość połączenia systemów pracujących asynchronicznie
Brak prądu ładowania  większa przepustowość linii
Mniejsze starty ulotu, mniejsze zakłócenia radioelektryczne
Lżejsza konstrukcja linii, mniejszy pas terenu pod linię
Przekraczanie cieśnin morskich
Wady:
Duży koszt budowy stacji przekształtnikowych
Wprowadzanie wyższych harmonicznych do sieci - konieczność stosowania filtrów
Brak możliwości transformacji napięcia
Duży pobór mocy biernej przez stacje przekształtnikowe  konieczność stosowania
lokalnych z
ródeł mocy biernej
Częste zakłócenia w pracy prostowników wrażliwych na przeciążenia
29/30
Przesył prądem stałym
Przesył prądem stałym
Przesył prądem stałym staje się opłacalny w przypadku linii
napowietrznych o dÅ‚ugoÅ›ci 550 ÷ 800 km, kabli podmorskich
25÷50 km, kabli podziemnych 50 ÷100 km.
Zastosowania:
Przesył dużych mocy na znaczne odległości
Przekraczanie cieśnin morskich
A
ączenie systemów o różnych częstotliwościach znamionowych
A
ączenie systemów do wspólnej pracy
30/30