1. Regulacja napięcia

Dla ograniczenia wpływu zmian napięcia zasilającego na pracę odbiorników energii elektrycznej oraz na straty mocy i energii w sieci podejmowane są działania, których celem jest ograniczenie zakresu tych zmian.

Regulacji napięć w sieciach można dokonywać przez:

• zmianę napięć zasilających (zmiana sił elektromotorycznych generatorów),

• zmianę przekładni transformatorów,

• zastosowanie napięć dodawczych (szeregowych transformatorów regulacyjnych),

• zmianę impedancji sieci,

• zmianę rozpływu mocy biernej.

Regulacja napięć przez zmianę sił elektromotorycznych generatorów i przekładni transformatorów nosi nazwę regulacji bezpośredniej. Pozostałe dwa sposoby regulacji są uznawane za regulację pośrednią, gdyż zmiana napięć jest uzyskiwana przez zmianę spadków napięć
w elementach sieci.

Napięcie w określonym punkcie sieci można wyrazić zależnością:

gdzie

δU_T - suma przyrostów napięcia w transformatorach analizowanej sieci,

δU - suma spadków napięcia w elementach analizowanej sieci.

Uwzględniając zależność (1), odchylenie napięcia w dowolnym punkcie sieci będzie równe:

Powyższe zależności są słuszne tylko wtedy gdy wszystkie wielkości są sprowadzone do jednego poziomu napięcia bądź w jednostkach względnych (tzn. odniesione do napięcia znamionowego) lub w procentach.

1. Regulacja przez zmianę napięć zasilających

Generatory w elektrowniach są wyposażone w układy do regulacji wzbudzenia, dzięki którym możliwa jest zmiana generowanej siły elektromotorycznej, a tym samym napięcia na zaciskach generatora. Jest to regulacja pozwalająca na ciągłą (nie skokową) zmianę napięcia w pewnych granicach. Zmianie napięcia generatora towarzyszy z zmiana mocy biernej oddawanej do sieci przez generator. Zmiana napięć zasilających służy więc do regulacji poziomu napięcia
i rozpływu mocy biernej w sieciach przesyłowych. W przypadku gdy generator zasila sieć
110 kV zmiana napięcia zasilającego powoduje zmianę napięcia i rozpływu mocy biernej w sieci 110 kV. Generatory są połączone z siecią przez transformatory blokowe.

2. Regulacja napięcia przez zmianę przekładni transformatorów

Dla umożliwienia utrzymania odpowiednich poziomów napięcia w różnych punktach elektroenergetycznych sieci rozdzielczych przy zmieniającym się obciążeniu, stosowane w tych sieciach transformatory mają możliwość zmiany przekładni. Zakres regulacji napięcia przez zmianę przekładni zależy od konstrukcji transformatora. Transformatory ŚN/nN umożliwiają zmianę przekładni w stanie beznapięciowym, przy czym zakres zmiany przekładni może wynosić -5%, 0%, 5% w transformatorach starszych lub -2.5%, 0%, +2.5%, +5%, +7.5% w transformatorach nowych. Można też jeszcze spotkać transformatory 30/6 kV lub 30/15 kV, w których zakres regulacji przekładni wynosi ±2.5%. Transformatory 110kV/ŚN mają regulację przekładni pod obciążeniem w zakresie ±10% co 1.1% lub ±16% co 1.33%. Spotykane są również inne nietypowe zakresy zmian przekładni transformatorów 110kV/SN. Przyrost napięcia spowodowany zmianą przekładni oznaczamy przez δU_zT, przy czym przyrost ten jest dodatni gdy zaczepy zmienimy tak by przekładnia transformatora (wyrażona jako stosunek liczby zwojów uzwojenia pierwotnego i wtórnego) zmalała, a ujemny gdy zaczepy są ustawione tak by przekładnia wzrosła.

Zmiana przekładni transformatorów 110kV/ŚN jest dokonywana ręcznie bądź automatycznie, przy czym dla uniknięcia zbyt częstej zmiany położenia zaczepów i ich szybkiego zużycia układy regulacji działają z tzw. strefą nieczułości, np. 0.5% lub 1%.

Przekładnie znamionowe transformatorów są zazwyczaj różne od stosunku napięć znamionowych sieci, dlatego przy ustawieniu przekładni transformatora na zaczepie zerowym otrzymuje się przyrost napięcia, który można wyrazić zależnością:

gdzie

ϑ_s - stosunek napięć znamionowych sieci,

ϑ_n - przekładnia znamionowa transformatora.

Oprócz przyrostu napięcia wynikającego z przekładni znamionowej transformatora, można uzyskać przyrost wynikający ze z zmiany położenia zaczepów regulacyjnych.

Całkowity przyrost napięcia w transformatorze jest więc równy:

Wadą regulacji napięcia pod obciążeniem realizowanej w głównych punktach zasilania (GPZ) sieci ŚN jest fakt, że zmiana napięcia zasilania dotyczy dużego zbioru stacji, i napięcie zasilające musi być tak dobrane by odchylenia napięć we wszystkich punktach sieci mieściły się w dopuszczalnych granicach, co czasem jest trudne do zrealizowania, ze względu na zróżnicowanie poboru mocy w różnych punktach sieci. Natomiast wadą regulacji napięcia w transformatorach ŚN/nN jest to, że może być realizowana w stanie beznapięciowym, a więc wymaga wyłączenia zasilania odbiorców dla dokonania przełączeń. W związku z tym zmiany położenia zaczepów regulacyjnych są dokonywane rzadko raz lub dwa razy w roku (czasem rzadziej. Utrudnia to dodatkowo proces regulacji napięcia w GPZ. Czasem przy dużych wartościach spadków napięcia w sieci ŚN jest wręcz niemożliwe dobranie odpowiednich nastaw zaczepów transformatorów ŚN/nN (tj. takich, przy których odchylenia napięcia w sieci nN będą się mieścić w dopuszczalnym przedziale). Dla rozwiązania tego problemu konieczne jest stosowanie innych środków zmniejszenia spadków napięcia w sieciach ŚN.

3. Regulacja za pomocą napięć dodawczych

Jednym z takich środków pozwalających na utrzymanie napięcia w dopuszczalnych granicach, gdy regulacja w GPZ i zmiana zaczepów transformatorów ŚN/nN nie zapewnia utrzymania dopuszczalnych poziomów napięcia, jest instalacja w głębi sieci szeregowych transformatorów regulacyjne. Transformatory te są wyposażone w automatyczne układy regulacji pozwalające na zmianę napięcia w zakresie ±15% w 32 stopniach. Pozwala to na utrzymywanie w danym punkcie sieci zadanego poziomu napięcia niezależnie od zmian obciążenia. Transformatory mogą być budowane jako jednostki jednofazowe lub trójfazowe. Transformatory trójfazowe, ze względu na ciężką 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 ±10%, lub dwie jednostki jednofazowe pracujące w układzie otwartego trójkąta (regulacja napięcia
w zakresie ±10%). Na rys. 1 pokazano schemat jednofazowego 32-stopniowego transformatora do regulacji napięcia, a na rys. 2 widok takiego transformatora.

Rys. 1. Schemat połączeń jednofazowego transformatora o 32 stopniach regulacji napięcia.

Rys. 2. Widok jednofazowego transformatora regulacyjnego prod. COOPER POWER SYTSTEMS.

Na rys. 3 pokazano układy połączeń dwóch oraz trzech jednofazowych transformatorów do regulacji napięcia w sieci trójfazowej i odpowiadające tym układom wykresy wektorowe napięć.

Rys. 3. Układ połączeń jednofazowych transformatorów szeregowych do regulacji napięcia
w sieci ŚN i odpowiadające tym układom wykresy napięć: a) dwa transformatory połączone w układ V; b) trzy transformatory połączone w trójkąt.

Rys. 4 przedstawia schemat prostego układu przesyłowego i wykres wektorowy napięcia dla tego układu, natomiast rys. 5 schemat linii ŚN obciążonej w wielu punktach z zainstalowanym szeregowym transformatorem do regulacji napięcia oraz uproszczony wykres zmian napięcia wzdłuż tej linii.

Rys. 4. Prosty układ przesyłowy i wykres wektorowy napięć w tym układzie.

Rys. 5. Linia ŚN obciążona w wielu punktach z zainstalowanym szeregowym transformatorem do regulacji napięcia, oraz wykres napięcia wzdłuż linii.

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. Układ dwóch jednofazowych transformatorów do regulacji napięcia w sieci 15 kV został w 1998 roku zainstalowany w rozdzielni sieciowej 15/0.4 kV (RS Muchówka) na terenie ZE Tarnów S.A.

4. Regulacja napięcia przez zmianę impedancji sieci.

Spadek napięcia w linii elektroenergetycznej jest proporcjonalny do prądu (mocy) płynącej płynącego linią i impedancji linii:

lub w %

Z powyższych zależności wynika, że dla zmniejszenia spadku napięcia należałoby 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 możliwe przez okresowe załączenie linii lub transformatorów równoległych jeśli takie istnieją, na czas zwiększonego obciążenia. Możliwa jest też zmiana impedancji przez dokonanie przełączeń w sieci. Należy przy tym zaznaczyć, że przełączenia
w sieci dokonywane są sezonowo, a ich głównym zadaniem jest dostosowanie układu sieci do zmieniającego się obciążenia, a zmniejszenie spadków napięć jest dodatkowym efektem przełączeń.

Zmniejszenie rezystancji linii jest możliwe przez zwiększenie przekroju przewodów,
a więc przez ich wymianę, co wiąże się z przebudową linii, gdyż nie zawsze jest możliwe zawieszenie przewodów o większym przekroju na istniejących konstrukcjach wsporczych. Zmniejszenie reaktancji linii jest możliwe przez zastosowanie baterii kondensatorów włączonych w szereg z linią. Zasadę regulacji napięcia przez zmianę reaktancji sieci przedstawiono na rys. 6.

Rys. 6. Regulacja napięcia przez zmianę impedancji sieci: a) schemat zastępczy linii z włączoną szeregowo baterią kondensatorów; b) wykres napięcia wzdłuż linii; c) wykres wektorowy napięć.

Zgodnie z rys. 6a na podstawie zależności (5) po kompensacji mamy:

stąd

W przypadku gdy operujemy mocami zależność (7) przyjmie postać:

stąd

Z powyższych zależności wynika, że dla zupełnego skompensowania spadku napięcia tj. dla uzyskania U₂ = 0 reaktancja baterii powinna być równa:

a gdy korzystamy z mocy:

Analogiczne warunki dla zupełnego skompensowania spadku napięcia otrzymamy wychodząc z zależności (6) na procentowy spadek napięcia.

Podane wyżej zależności są słuszne również dla transformatorów, z tym że 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 obciążenia
i dlatego kondensatory szeregowe są chętnie stosowane do ograniczania wartości zmian napięcia powodowanych szybkimi zmianami obciążenia odbiorników „niespokojnych”. Kompensacja szeregowa znalazła też zastosowanie w długich przesyłowych. W tym przypadku celem kompensacji jest zwiększenie (ograniczonej warunkami równowagi pracy układu przesyłowego) zdolności przesyłowej linii, a nie zmniejszenie spadku napięcia.

Do wad kompensacji szeregowej należy zaliczyć możliwość pojawienia się w sieci ferrorezonansu, w wyniku którego mogą się pojawić przepięcia niebezpieczne dla baterii kondensatorów. Przepięcia mogą się również pojawić w czasie zwarć lub wyładowań atmosferycznych. Wynika stąd konieczność stosowania iskierników ochronnych.

5. Regulacja napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej.

W tym przypadku regulacja napięcia polega na zmianie składowej spadku napięcia powstającej reaktancji elementu sieci w wyniku przepływu przez tę reaktancję składowej biernej indukcyjnej prądu, a więc na zmianie składnika I_b⋅X w zależności (5) lub składnika Q⋅X w zależności (6). Prąd bierny płynący przez element sieci można zmienić instalując dodatkowe źródło mocy biernej pojemnościowej w miejscu poboru mocy biernej indukcyjnej. Można to zrobić instalując baterię kondensatorów równoległych lub kompensator synchroniczny. Zasadę regulacji napięcia przez zmianę rozpływu moc y biernej ilustruje rys. 7.

Przekształcając zależności (5) lub (6) można otrzymać wyrażenia podające jaką moc bierną pojemnościową należy dostarczyć aby uzyskać zmniejszenie spadku napięcia z U₁ do U₂.

Rys. 7. Zasada regulacji napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernej.

Z zależność (5) mamy:

stąd

Natomiast gdy spadek napięcia obliczamy korzystając z mocy odpowiednie zależności będą następujące:

stąd

Dla zupełnego skompensowania spadku napięcia tj. dla uzyskania U₂ = 0 załączona na końcu linii moc bierna powinna być równa:

Analogiczną zależność na moc bierną, którą należy załączyć na końcu linii dla całkowitego skompensowania spadku napięcia można wyprowadzić wychodząc z zależności na procentowy spadek napięcia.

Kompensacja mocy biernej oprócz zmniejszenia spadków napięcia zmniejsza również straty mocy w sieci. Kompensacja mocy biernej jest też być wykorzystywana do zwiększenia przesyłu mocy czynnej w sytuacji gdy ze względu na obciążalność długotrwałą nie jest możliwe zwiększenie obciążenia linii, wówczas przy tej samej mocy pozornej możemy zwiększyć obciążenie mocą czynną zmniejszając moc bierną.

Wadą baterii kondensatorów stosowanych do kompensacji mocy biernej jest kwadratowa zależność od napięcia mocy biernej dostarczanej przez baterię. Ze wzrostem obciążenia mocą bierną indukcyjną następuje wzrost spadku napięcia na zaciskach baterii, a w konsekwencji zmniejszenie mocy biernej dostarczanej przez tę baterię. Dla zapewnienia odpowiedniej kompensacji należałoby więc zwiększyć moc baterii. Dlatego baterie kondensatorów budowane były wielostopniowe. Obecnie możliwa jest ciągła regulacja mocy biernej przy pomocy kompensatorów statycznych sterowanych za pomocą układów tyrystorowych. należy tu jednak zaznaczyć, że jest to drogie rozwiązanie i jest stosowane wtedy gdy bateria oprócz funkcji regulacji napięcia spełnia jeszcze inne funkcje. W sieciach przemysłowych baterie do kompensacji mocy biernej wchodzą często w skład filtrów wyższych harmonicznych.

6. Dobór przekładni transformatorów

Zgodnie z przepisami trwały wzrost na zaciskach transformatora nie może przekraczać więcej niż 5 % wartości napięcia wynikającego z załączonego zaczepu. Niezależnie od tego transformator powinien gwarantować utrzymanie napięcia na odpowiednim poziomie przy wszystkich warunkach pracy występujących w sieci.

Obliczenia dotyczące doboru nastaw przekładni transformatorów wykonuje się zazwyczaj dla ekstremalnych warunków pracy, tj. dla maksymalnych i minimalnych obciążeń sieci. Obliczenia sprowadzają się do zestawienia bilansu przyrostów napięcia wynikających z położenia zaczepów transformatorów i napięcia zasilającego oraz spadków napięcia. Zadanie sprowadza się w ten sposób do spełnienia nierówności:

gdzie

i
- odpowiednio dolne i górne dopuszczalne odchylenie napięcia na zaciskach odbiorników

δU_T - suma przyrostów napięcia w transformatorach analizowanej sieci,

δU - suma spadków napięcia w elementach analizowanej sieci,

δU_z - odchylenie napięcia na szynach zasilających sieć.

7. Przykłady

Przykład 1. Dla. sieci prądu przemiennego trójfazowego pokazanej na rys. 8 należy:

1. obliczy moc baterii kondensatorów szeregowych Q_C tak aby napięcie na szynach 15 kV
   w rozdzielnicy 3 przy obciążeniu S₃ = 4.5 MVA (cos₃ = 0.8) nie było niższe niż U_n - 5%,

2. obliczyć odchylenie napięcia na szynach 15 kV w rozdzielnicy 3 przy obciążeniu wynoszącym 20 % obciążenia z punktu 1.

Rys. 8. Sieć do przykładu 1 oraz wykresy przyrostów i spadków napięć: a) schemat sieci; b) rozkład napięć w sieci bez baterii kondensatorów; c) rozkład napięć po zainstalowaniu baterii kondensatorów przy obciążeniu maksymalnym; d) rozkład napięć po zainstalowaniu baterii kondensatorów przy obciążeniu równym 20% obciążenia maksymalnego.

Dane sieci:

transformator T: S_n =10MV⋅A, /16.5 kV, P_Cu= 82 kW, U_k= 10.5%,

linia L: AFL 3×95 mm², l₁ = 15 km, R_o = 0.32 /km, X_o = 0.36 /km,

Napięcie na szynach 110 kV wynosi U₁ = 108 kV.

Przykład 2. Dla. sieci prądu przemiennego trójfazowego pokazanej na rys. 9 należy:

1. obliczy moc baterii kondensatorów równoległych Q_k tak aby napięcie na szynach 15 kV
   w rozdzielnicy 3 przy obciążeniu S₃ = 4.5 MVA (cos₃ = 0.8) nie było niższe niż U_n - 5%,

2. obliczyć odchylenie napięcia na szynach 15 kV w rozdzielnicy 3 przy obciążeniu wynoszącym 20 % obciążenia z punktu 1.

3. porównać regulację napięcia za pomocą kondensatorów szeregowych (z przykładu 1) z kompensacją za pomocą kondensatorów równoległych.

Rys. 9. Sieć do przykładu 1 oraz wykresy przyrostów i spadków napięć: a) schemat sieci; b) rozkład napięć w sieci bez baterii kondensatorów; c) rozkład napięć po zainstalowaniu baterii kondensatorów przy obciążeniu maksymalnym; d) rozkład napięć po zainstalowaniu baterii kondensatorów przy obciążeniu równym 20% obciążenia maksymalnego.

Dane sieci takie same jak w przykładzie 1.

Przykład 3. Dla. sieci prądu przemiennego trójfazowego pokazanej na rys. 10 należy:

1. dobrać nastawy zaczepów transformatora zasilającego T1 tak, aby napięcie na szynach 6 kV rozdzielnicy 5 było utrzymywane w granicach U_n ±2.5%, przy obciążeniu zmieniającym się w zakresie od 0.5 do 3.5 MW,

2. wyznaczyć nastawę zaczepu transformatora T3, tak aby napięcie na szynach 6 kV rozdzielnicy 6 było utrzymane w granicach U_n ±2.5% przy stałym obciążeniu wynoszącym 2.4 MW.

Rys. 10. Schemat sieci do przykładu 3.

Dane sieci:

transformator T1: S_n=10MV⋅A, ±12⋅1.33/16.5 kV, P_Cu= 82 kW, U_k= 10.5%,

transformator T 2: S_n=5MV⋅A, /6.3 kV, P_Cu= 44 kW, U_k= 7%,

transformator T 3: S_n=4MV⋅A, /6.3 kV, P_Cu= 38 kW, U_k= 7%,

Linia L1: AFL 3×95 mm², l₁ = 7 km, R_o = 0.319 /km, X_o = 0.35 /km,

Linia L2: AFL 3×70 mm², l₂ = 10 km, R_o = 0.319 /km, X_o = 0.35 /km,

Literatura

1. Bernas S.: Systemy elektroenergetyczne. WNT, Warszawa 1986.

2. Bogucki A., Lawera E., Przygrodzki A, Szewc B.: Podatność częstotliwościowa i napięciowa systemu elektroenergetycznego i jego elementów. Skrypty Uczelniane Politechniki Śląskiej nr 1116, Gliwice 1983.

3. Cegielski M.: Sieci i systemy elektroenergetyczne. PWN, Warszawa 1979.

4. Kinsner K., Serwin A., Sobierajski M., Wilczyński A.: Sieci elektroenergetyczne. Wyd. Pol. Wrocławskiej, Wrocław 1993.

5. Kremens Z., Sobierajski M.: Analiza systemów elektroenergetycznych. WNT, Warszawa 1996.

6. Kujszczyk Sz. pod red. Elektroenergetyczne sieci rozdzielcze. tom I i II, WNT, Warszawa 1991.

7. Kujszczyk Sz., Brociek S., Flisowski Z. Gryko J., Nazarko J., Zdun Z.: Elektroenergetyczne układy przesyłowe. WNT, Warszawa, 1997.

8. Popczyk J.: Elektroenergetyczne układy przesyłowe. Pol. Śląska, skrypt nr 1196, Gliwice 1984.

9. Poradnik inżyniera elektryka tom 3. WNT, Warszawa 1997

10. Przepisy budowy urządzeń elektroenergetycznych. Wyd. 2. Opracowanie Instytutu Energetyki Warszawa. Wydawnictwo WEMA 1989,

11. Strojny J., Strzałka J.: Zbiór zadań z sieci elektrycznych. Cz. I, AGH, skrypt nr 999, Kraków 1986 (lub nowszy).

12. Strojny J., Strzałka J.: Zbiór zadań z sieci elektrycznych. Cz. II, AGH, skrypt nr 1019, Kraków 1986 (lub nowszy).

13. Wskazówki projektowania dotyczące odkształcenia i wahań napięcia w sieciach 110 kV, ŚN i nN energetyki zawodowej. Instytut Energetyki Warszawa - Katowice, 1987.

14. Wskazówki projektowania sieci elektroenergetycznych w zakładach przemysłowych. Wyd. 3. Centralny Ośrodek Badawczo-Projektowy Budownictwa Przemysłowego BISTYP, Komisja Ogólnobranżowa Porozumienia o Współpracy i Koordynacji w Projektowaniu Budownictwa, 1974.

15. Wytyczne kontroli oraz ograniczania odkształceń i wahań napięcia w sieciach 110 kV, ŚN
    i nN energetyki zawodowej. Instytut Energetyki Warszawa, Zakład Sieci Rozdzielczych Katowice, 1987.

16. Wytyczne projektowania sieci elektroenergetycznych. Zjednoczenie Energetyki, Warszawa 1976.

17. Zarządzenie Ministra Energetyki i Energii Atomowej z dnia 3 maja 1978 r. w sprawie warunków dostarczania energii elektrycznej. Monitor Polski nr 16 z 1978 r. poz. 55.

Rys. 1. Schemat połączeń jednofazowego transformatora o 32 stopniach regulacji napięcia.

Rys. 3. Układ połączeń jednofazowych transformatorów szeregowych do regulacji napięcia
w sieci ŚN i odpowiadające tym układom wykresy napięć: a) dwa transformatory połączone w układ V; b) trzy transformatory połączone w trójkąt.

Rys. 4. Prosty układ przesyłowy i wykres wektorowy napięć w tym układzie.

Rys. 5. Linia ŚN obciążona w wielu punktach z zainstalowanym szeregowym transformatorem do regulacji napięcia, oraz wykres napięcia wzdłuż linii.

SIECI ELEKTROENERGETYCZNE

15

16

Przygotował: W. Szpyra, Zakład Elektroenergetyki AGH, tel.: [phone], e-mail: [e-mail]

---