ELEKTROENERGETYKA

WYKADŁ 1

1. Poradnik inżyniera elektryka tom III

2. Markiewicz i Wołkowski ,,Urządzenia elektroenergetyczne''

3. Markiewicz ,,Stacje i sieci elektroenergetyczne,,

4. Laudyn, Pawlik, Strzelczyk ,,Elektrownie''

1.WIADOMOŚCI OGÓLNE O WYTWARZANIU ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Obejmuje zagadnienia związane z procesami przemiany, wymiany i przenoszenia energii, oraz różnego

rodzaju defekty, które towarzyszą tym efektom.

Urządzenia w układach i systemach elektroenergetycznych - te zagadnienia są rozważane w powiązaniu z problematyką ekonomiczną i ochroną środowiska. Ze względu na silne związki jakie między nimi występują, przemiany energii są koniecznym warunkiem funkcjonowania urządzeń technicznych. Urządzenia techniczne nie stanowią osobnego układu energetycznego muszą więc przyjmować i oddawać energię. Energia jest dostarczana za pomocą nośnika energii a odbiornik jest przetwornikiem energii

Nośniki energii uzyskuje się najczęściej z paliw pierwotnych inaczej surowców energetycznych. W mniejszym stopniu z innych źródeł takich jak: cieki wodne, energia słoneczna, wiatr, energia geotermiczna, maretermiczna (cieplna z murz), maremotoryczną (przypływu fal morskich), biochemiczna.

Energia paliw jest nie odnawialna, pozostałych jest odnawialna. Paliwa pierwotne są używane jako nośniki energii w stanie naturalnym lub po uzdatnieniu (wzbogacanie węgla) lub są przerabiane na paliwa wtórne (gaz, koks, benzyna, olej opałowy, gazy ciekłe: propan, butan). Najważniejszą rolę spełniają paliwa kopalne a ich wartości energetyczną ocenia się w tonach paliwa umownego. Np. 1 tona paliwa umownego jest równa 7G kaloriom to się równa 29,31 GJ

Kompleks zagadnień związanych z pozyskiwaniem nośników energii ich transportem oraz racjonalnym użytkowaniu nazywa się energetyką.

2. WYTWERZANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

2.1. Wiadomości ogólne o elektrowniach.

Szczególnym rodzajem przetworników energii są przetworniki różnych postaci energii na energię

elektryczną - generatory energii elektrycznej

Rozróżnia się generatory

• 
  
  
  
  
  
  
  Proste w którym do przetwornika jest dostarczana energia wejściowa natomiast na wyjściu dostajemy energię elektryczną

E wejściowa E elektryczna

• Przetworniki złożone

E wejściowa E pośrednia E elektryczna

E wejściowa cieplna mechaniczna E elektryczna

Energie elektryczna może być wytwarzana z energii:

1. mechanicznej (prądnice napędzane turbinami parowymi, gazowymi, wodnymi, silnikami spalinowymi, wiatrowymi, gazowymi)

2. cieplnej (termoelementy, generatory termoemisyjne -TEM, magnetohydrodynamiczne - MHD, gazodynamiczne - MGD

3. świetlnej (termoogniwa)

4. chemicznej (ogniwa galwaniczne i paliwowe)

Na większą skalę energię elektryczną wytwarza się w elektrowniach cieplnych (konwencjonalnych) jądrowych i wodnych

Elektrownia zakład produkcyjny wytwarzający energię ele. na skalę przemysłową. Elektrownia jest zespołem przetworników (najczęściej tworzących przetwornik złożony w którym ostatnim ogniwem jest generator.

Elektrociepłownia - zakład wytwarzający jednocześnie energię elektryczną i cieplną w postaci pary lub wody gorącej. Oddawana na zewnątrz w ilości większej lub równej od 10% wydajności znamionowej kotłów.

Wsród wykorzystywanych nośników energii wejściowej są dwie podstawowe grupy:

- paliwa kopalne (węgiel, ropa, gaz, paliwa rozszczepialne)

- naturalne siły przyrody (cieki wodne, promieniowanie słoneczne, wiatr, energia geotermiczna)

CECHY I gr.- ograniczoność zasobów i skończoność tych zasobów. Paliwa te wydobywa się gdy jest

ekonomicznie uzasadnione

CECHY II gr.- nierównomierność występowania na powierzchni ziemi (spady wód, przypływy morskie)

Zależności od przynależności administracyjnej elektrownie dzieli się na:

• systemowe - główne źródło energii

• przemysłowe

• prywatne

Ze względu na jednostkowy koszt wytwarzania energii i charakter pracy systemu elektroenergetycznego w ciągu doby wyróżnia się następujący podział elektrowni.

• Podstawowe: najekonomiczniejsze elektrownie, które pracują ciągle

• Podszczytowe: zmieniają obciążenie w zależności od zmiennego obciążenia systemu a nawet okresowo mogą być odstawione do rezerwy

• 
  
  Szczytowe: są uruchamiane w okresie szczytowego zapotrzebowania na energię elektryczną

[%]

100 3 3

80

2 2

60

40 1

20

t

6 12 18 24

1. elektrownie podstawowe - duże elektrownie pracujące cały czas na max moc

2. podszczytowe względna wartość mocy pobieranej do mocy szczytowej- ekonomiczne przy zmiennym obciążeniu

3. szczytowe

WYKŁAD 2

Problemy rozwoju techniki elektroenergetycznej

Problemy energetyczne szacowane są ilością energii rocznie zużywanej rocznie

Ep

= 1,5%

ZE=4%

50 70 90 2010 [LATA]

- produkcje energooszczędne

Zakładając realny poziom wydobycia paliw i zapotrzebowania na energię pierwotną w świecie okazało się, że w 2100 roku przy tak dynamicznym rozwoju przyrostu zapotrzebowania na energię pierwotną zasoby świata będą mogły pokryć zaledwie 50% energii zapotrzebowania. Koniecznością staje się więc opanowanie nowych niekonwencjonalnych technologii uzyskiwania energii. Jako rozważania przyszłościowe rozważa się:

1. Kontrolowane reakcje termojądrowe

2. Na wykorzystaniu energii promienistej słońca

Kolejny etap rozwoju energetyki jądrowej ma być oparty na budowie reaktorów powielających, w których obok łańcuchowej reakcji rozczepiania występuje proces powstawania innego materiału rozszczepialnego

dużej ilości energii w postaci ciepła w reaktorach powielających istnieje możliwość wykorzystywania wodoru jako podstawowego nośnika energii. Wodór jest wytwarzany z wody elektrolitycznie lub termicznie, magazynowany i bezpośrednio transportowany do odbiorcy energii. W celach technologicznych, syntezy chemicznej, transportu.

Koncepcje rozwoju obejmują również wykorzystanie promieniowania słonecznego :

Polega to na umieszczaniu ogniw i reflektorów słonecznych , w przestrzeni kosmicznej i przekształcaniu prądu

Stałego na mikro fale o częstotliwości 3GHz i przesłaniu wiązek energii na ziemię.

Energia powierzchniowa na metr kwadratowy = p = 1,4

Na całej powierzchni p = 174 ⋅ 10 ⁶ GW

Druga koncepcja :

Wykorzystanie źródeł odnawialnych: wiatr, pływy morskie

CZYNNIKI KSZYALTUJĄCE ROZWÓJ ELEKTROWNI

O rozwoju elektrowni decydują głównie czynniki:

• dotyczące potrzeb energetycznych (rozwój przemysłowy, komunalny, itp.)

• czynniki ekonomiczne i ograniczenia (ekologiczne)

Moc zainstalowaną Pi we wszystkich elektrowniach i elektrociepłowniach krajowych w przeciągu roku określa się tą zależnością

Pi = Ps + Pmm -tzw. Margines mocy

Szczytowe zapotrzebowanie na moc w danym roku

Czyli nadwyżka mocy niezbędna do utrzymania rezerwy mocy pokrycia ubytków mocy

Pio w danym roku aktualnym plus ΔPi czyli nadwyżka mocy wynikająca z danego przyrostu mocy zainstalowanej minus Puy źródeł z eksploatacji.

Pi = Ps + Pm = Pio + ΔPi - Pny

Pmm - (0,2 ÷ 0,3) · Ps

Szczytowe zapotrzebowanie na energię szczytową Ps =
Es - energia brutto ,

Ts - roczny czas użytkowania mocy szczytowej

Produkcja energii elektrycznej

Koszt energii elektrycznej K = Ks + Kz

Ks - koszty stałe to koszty inwestycyjne - przypadający na dany rok: koszty opłat, itp.

Kz - koszty zmienne - koszt paliw energetycznych

Kz

Ks

Ekonomiczny aspekt elektrowni

4

K















4

1

2

3

5

0 T

P5

P4

P3

P2

P1

0 T5 T4 T3 T2 T1 8760

1 - elektrownie wodne (duże koszty inwestycyjne a okres pracy podyktowany potencjałem hydroenergertcznym kraju

2 - elektrownie jądrowe (wysoki koszt)

3 - elektrownie parowe na tanie paliwo

4 - elektrownie parowe na droższe paliwo - węgiel wzbogacony

5 - elektrownie szczytowe z silnikami spalinowymi lub turbiny gazowe oraz elektrownie pompowe

Wielkości charakteryzujące elektrownie

Moc zainstalowana Pi - suma mocy znamionowych czynnych generatorów włączonych do ruchu w elektrowni lub w przypadku mocy cieplnej (Qi) suma wszystkich źródeł ciepła zainstalowanych w elektrociepłowni

Moc dyspozycyjna Pd lub (Qd) moc ciepła, uwzględnia częściowe ubytki mocy na remonty lub poprawianie urządzeń podstawowych

Moc netto - Pn jest mocą brutto pomniejszoną o potrzeby własne Pw Pn = P - Pw

Produkcja energii (brutto i netto) wytwarzana w elektrowniach lub elektrociepłowniach jest określona na przedziale wskazań liczników i jest całką mocy brutto w odpowiednim przedziale czasowym

E =
P ⋅ dt

Roczna produkcja energii elektrycznej zależy od dysponowanego wyposażeni i zadań im przydzielonych przez system elektroenergetyczny

P max

Wyprodukowanie energii prze elektrownie

Pos Pnd

Wartość mocy osiągalnej przez

elektrownie przy pełnym zasobie rocznym

Ed Tnd - czasem niedyspozycyjność

Td T T

d =

Pole które określa wartość energii dyspozycyjnej,

którą elektrownia produkuje w stosunku do wartości mocy Pos, Pnd

Pnd - moc niedyspozycyjności elektrowni częściowe wypady mocy , energia turbiny, generatora) Emm = Pos ⋅ T

oraz pracy systemu

Ed = (Pos - Pnd) ⋅ Td

WYKŁAD 3

Klasyczene elektrownie kodensacyjne

Podstawą działania elektrowni jest sprawność cieplna obiegu, która jest wyrażona zależnością

η_c = 1-

Td- temperatura obiegu dolnego (kondensacyjnego)

Tg- temperatura obiegu górnego (wejściowego) od elektrowni wymaga się aby Tg było jak największe

Praca elektrowni ηc = 0,35÷0,38

W kotle parowym następuje podgrzanie wody przez spalenie paliwa i udziale powietrza niezbędnego do spalania do temperatury górnej Tg (para mokra) następnie w przegrzaniu pary (zainstalowanym w konstrukcji kotła następuje przegrzanie pary do temperatury To i ciśnieniu Pp parametry pary świeżej )). Parametry obiegu termodynamicznego w sposób zasadniczy zależą od parametrów pary przed turbiną i ciśnieniu w skraplaczu Ps.

W turbinie następuje zmiana energii cieplnej przez rozprężanie pary w jednym a najczęściej w kilku stopniach (np. wysoko, średnio i niskoprężnym ) W ostatnim stopniu niskoprężnym występuje para zawilgocona o niskim ciśnieniu, łopatki turbin w poszczególnych stopniach mają różne wymiary ze względu na systematyczną obniżkę ciśnienia i temperatury chłodzenia w skraplaczu (pary wodnej wylotowej)odbywa się przez odbieranie ciepła w chłodnicy przez przepływ wody chłodzonej. Woda chłodząca jest pobierana z chłodni kominowej. Ilość ciepła odprowadzonego przez wodę stanowi 47÷50% ciepła dostarczonego przez paliwo w elektrowniach klasycznych. W wielu rozwiązaniach elektrowni do chłodzenia stosowane są zbiorniki wodne (jeziora, rzeki) do których wprowadza się wodę zrzutową.

Maksymalna temperatura wody nie powinna przekraczać 28÷30 stopni.

Wymiary podstawowych systemów elektrowni są znane i tak np. długość o mocy 1000MW wynosi 60m. Wysokość kotłów dużych 600 ÷ 100 ton na godzinę 60m a na węgiel brunatny 100m. Kominy w elektrowni mają wysokość od 200do 300m.

W krajowych elektrowniach występują blok (turbina i generator) o mocy od 50 ÷ 60MW, 125MW, 125 ÷ 200MW, 360MW, 500MW, w krajowych elektrowniach najwyższe parametry pary świeżej mają bloki 300MW o temperaturze To= 183°K 540°C i ciśnienie 18,3Hpa i osiągają sprawność teoretyczną 0,43÷0,48% a bloku brutto 35÷38

ELEKTROCIEPŁOWNIE

W elektrociepłowniach następuje jednocześnie wytworzenie energii elektrycznej oraz energii cieplnej tzw. układ skojarzony. Energię cieplną uzyskuje się z pary niskoprężnej lub gorącej wody.

Wyróżniamy dwa obiegi cieplne:

• obieg cieplny elektrociepłowni upustowo-kondensacyjnej

Istotnym elementem elektrowni wypustowo-kondensacyjnej jest stacja redukcyjna przez którą para jest dostarczona od wymiennika ciepła oraz turbina z upustem pary za stopniem wysokoprężnym para może

być dalej wprowadzana do wymiennika ciepła bądź przez zawory na stopień nisko prężny turbiny parowej. (zawsze w elektrowni pracujemy w obiegu zamkniętym, aby woda nie była wyprowadzana na zewnątrz powinna być wzbogacona, uzupełniają tylko wodę gdy obieg ją utraci w przypadku przecieku lub pracy technologicznej)

• obieg cieplny w elektrociepłowni przeciwprężnych

W obiegach przeciwprężnych stosowane są turbiny przeciwprężne (inna konstrukcja łopatek) i praca wprowadzana jest ze stopnia upustowego turbiny do wymiennika ciepła . W schemacie tym nie występuje skraplacz.

ELEKTROWNIE JĄDROWE

Przemiany energetyczne występujące w elektrowniach jądrowych obejmują:

1. przemianą energii wiązania jąder atomowych w energię cieplną (jądrowa) uzyskiwanej przez sterowaną reakcję łańcuchową, rozszczepienia jąder uranu lub plutonu w reaktorze jądrowym (nośnik ciepła przepływa przez rdzeń reaktora).

2. przemian energii cieplnej w mechaniczną w turbinie parowej lub gazowej

3. przemianę energii mechanicznej w energię elektryczną w generatorze

Reaktory energetyczne klasyfikuje się w zależności od:

• 
  
  
  energii neutronów powodujących rozszczepianie jąder atomowych (prędkie, termiczne reaktory)

• zależność od paliwa jądrowego (uran lub pluton)

• moderatora do spowalnianiu neutronów w reaktorach termicznych (moderatorem może być woda H₂O, ciężka woda D₂O lub grafit)

• chłodziwa przejmującego energię cieplną wytwarzaną e rdzeniu reaktora(chłodziwa ciekle - H₂O, D₂O, Na - sód) lub gazowe (C₂O - dwutlenek węgla, H - wodór, N₂O₄ - czterotlenek azotu).

Wyróżnia się kilka reaktorów do których najczęściej są zaliczane:

• reaktory lekkowodne (LWR - light water reaktor) w których paliwem jest uran a moderatorem i chłodziwem lekka woda.

• reaktory ciężkowodne (HWR - heavy water reaktor) moderatorem jest ciężka woda a paliwem uran lub pluton

• reaktory gazowe (GCR - gas cooled reaktow) moderatorem jest grafit a chłodziwem gaz na C₂O)

• reaktory wysokotemperaturowe (HTR - haight temperature reaktor)

Schematy cieplne elektrowni jądrowych różnią się od klasycznych częścią wytwarzającą energię cieplną i rodzajem obiegów

Wyróżnia się :

1. Układ jednoobiegowy - czynnikiem roboczym może być woda przemieniana w parę z turbinami gazowymi lub też gaz : hel lub cząsteczek azotu z turbinami gazowymi, dalsze elementy są podobne do układy kondensacyjnego.

2. Układ dwuobiegowy - czynnik roboczy (lekka lub ciężka woda) lub też gaz C₂O lub hel wprowadzone są do wytwornicy pary i dalej pompowane pompami z powrotem do reaktora. Układ wytwornicy pary jest odseparowany od obiegu pierwotnego i czynnik roboczy z zasady woda (przemieniona w parę) wprowadzona jest do turbiny skraplacza i pompami są skropliny do wytwornicy pary.

3. Układ trójobiegowy - czynnikiem roboczym w obiegu pierwotnym jest ciekły sód, najbardziej bezpieczny podwójna separacja od części reaktorowej

Obiegiem turbina jest woda zamieniana w parę a układ jest dwukrotnie separowany od układu reaktora ze względu na obiegi wtórne, następuje obniżenie ogólnej sprawności elektrowni, która wynosi przeciętnie 28÷35% co oznacza, że sprawność jest niższa od elektrowni klasycznych

Elektrownie jądrowe charakteryzują się następującymi zaletami:

• istnieje duża możliwość w lokalizacji elektrowni

• możliwość stosowania dużych mocy (ponad 1200MW z bloku)

• mniejsze zapotrzebowanie na teren elektrowni

• mniejszy ilościowo transport paliwa

• brak oddziaływania na atmosferę w czasie normalnej pracy

Do wad elektrowni jądrowych zaliczmy:

• duże koszty inwestycyjne budowy

• duże zapotrzebowanie na wodę

• problemy ze składowaniem odpadów radioaktywnych

Pierwsza elektrownia powstała w 1954 roku 5MW z reaktorem LWG, następna 1956 rok 198MW, w tym samym roku w USA 90MW. Największy reaktor pracuje w USA 4000MW (dwa reaktory 4 generatory).

Udział w produkcji energii jądrowej w niektórych państwach

KRAJ	UDZIAŁ %	KRAJ	UDZIAŁ %	KRAJ	UDZIAŁ %
Francja	75,7	Korea	43,6	Niemcy	28,6
Belgia	66,9	Finlandia	38,4	Wielka Brytania	21,7
Bułgaria	51,3	Węgry	34,4	USA	11,2
Tajwan	43,8	Japonia	27,9	Rosja	10

ELEKTROWNIE WODNE

Wykorzystuje się energię potencjalną cieków wodnych, spiętrzonych do odpowiednich wysokości aby wytworzyć różnicę poziomów między górnym i dolnym zbiornikiem wodnym

Moc hydrauliczną osiąganą w turbinie wodnej wyznacza się ze wzoru Pn = g ρ H_t Q_t η_t

g - przyspieszenie ziemskie 9,81 ρ - gęstość wody H_t -użyteczny spad wody Qc - natężenie przepływu wody przez turbinę[m³/h]

η_t - sprawność turbiny wynosi od 0,88÷0,93

Mocy hydrozespołu Pg wyznaczaną mocą Pn ⋅ η_g

Pg = Pn ⋅ η_g = g ⋅ ρ ⋅ H_t Q_{t ⋅} η_{t ⋅} η_g

Pg = ⊄ ⋅ H_t Q_t

Parametr sały

Elektrownie wodne klasyfikuje się na:

a) wysokość spadu między H_t

H_t < 15m są elektrownie niskospadowe

15m < H_t < 80m są elektrownie średniospadowe

H_t > 80m są elektrownie wysokospadowe

H_t = 1800÷400 przeciętnie w elektrowniach wysokospadowych

b) czas napełnienie zbiornika górnego

• przepływowe nie mają możliwości magnesowania wody w zbiorniku górnym

• z małym zbiornikiem (w czasie mniejszym niż150 godzin)

• zbiornikowe gdy napełnienie jest sezonowe lub dłuższe, czas napełnienie szacuje się na podstawie charakterystycznych przepływów w systemie wodnym, które służą od określenia przełyku turbiny Qt

c) sposób uzyskania spadu

• elektrownie przyzaporowe jeśli elektrownie jest zbudowana przy zaporze zbiornika górnego

• elektrownie derywacyjne jeśli elektrownia jest zbudowana znacznie niżej niż zapora a woda poprowadzona jest rurociągami lub sztalniami ze zbiornika głównego do turbiny

Ten rodzaj elektrowni pozwala na osiąganie znacznych spadów

W zależności od szybkobieżności sposobu działania turbiny wodne dzielą się na:

- turbiny akcyjne w których wykorzystuje się energię kinetyczną wody do tego typu należą turbiny Peltona o szybkiej szybkobieżności przeznaczone do pracy przy szybkich, dużych spadach wody , małe prędkości obrotowe turbin (60obr/min) wymagają stosowania generatorów o dużej liczbie par biegunów w celu uzyskania częstotliwości prądu

n =

- turbiny reakcyjne do których wodę dostarcz się podciśnieniem wyższym od atmosferycznego wykorzystując głównie energię potencjalną (turbiny Koplana szybkobieżność zawiera się od 60÷1000obr/min)

Elektrownie buduje się o różnej skali mocy od bardzo małych 10÷50 MW do bardzo dużych 9000÷12000 MW Największe elektrownie świata rozlokowane są na dużych rzekach (przepływowe)np. Krasnojarskaja n rzece Jenisej 6090 MW, Bracka nz rzece Angara 4500 MW, Wołżańska na rzece Wołga 2415 MW , w USA na rzece Kolumbia Grendculej 9700 MW, Brazylia na doplywach rzecznych Itaipu 12000 MW , Itha Soltiera 3200 MW. Planowana na rzece Jankcy 20000 MW. W Polsce Porąbka na rzece Sole 20 MW, Rożnów na Dunajcu 50 MW

Ze względu na współpracę z systemem elektroenergetycznym i sposób pracy wyróżniamy następujące rodzaje elektrowni:

• podstawowe pracując w sposób ciągły

• podszczytowe pracując w obszarze podszczytowym (zbiornikowe)

• szczytowe pompowe tzw. elektrownie szczytowo-pompowe np. Żarnowiec (wodę ze zbiornika górnego transportujemy odo zbiornika dolnego).

WYKŁAD

3. SIECI ELEKTROENERGETYCZNE

3.1.Wprowadzenie:

Przepływ energii elektrycznej do źródeł wytwarzania, do odbiorników lub obszarów zapotrzebowania odbywa się za pomocą sieci elektroenergetycznych, które stanowią zbiór połączonych ze sobą funkcjonalnie urządzeń. Do nich zaliczmy linie napowietrzne lub kablowe, trakcje transformatorowe, rozdzielnice, łączniki, dławiki, kondensatory i urządzenia pomocnicze. Do realizacji zadania jakim jest przesył energii i rozdział między odbiornikami w zależności od poziomu napięcia sieci dzielą się na sieci przemysłowe, rozdzielne, dystrybucyjne, sieci musza spełniać określone zadania, wymagania techniczne i ekonomiczne do, których należą:

• wysoka jakość energii

• niezawodność zasilania odbiorników

• niskie koszty przesyłu

• bezpieczeństwo i elastyczność

O jakości dostarczanej energii decyduje odpowiedni poziom napięcia i częstotliwości, symetria napięć i kształt przepływu napięcia.

Podstawowe znaczenie w technice przesyłu energii na prąd przemienny o częstotliwości technicznej 50Hz w niektórych krajach 60Hz (trakcje kolejowe 16 ²/₃ Hz)

Drugi rodzaj napięć przemysłowych to napięcie o przebiegu stałym, który jest stosowany w trakcji komunikacji miejskiej i PKP, od zasilania niektórych odbiorników przemysłowych (układ do elektrolizy, przenoszenia masy, oraz przy przesyle wysokich napięć) przy czym

>800kV >1000km

W Polsce eksploatuje się prądu przemiennego o następujących napięciach znamionowych

1. Napięcie bezpieczne U_AC = 50V U_DC = 100V

2. Sieci niskiego napięcia NN U_N < 1kV do nich należą U=220 - 220/380 - 500 - 380/660V

3. Sieci średniego napięcia SN przekraczające wartość 1kV a nie przekraczającej U_U < 300kV (110kV)

Szeregi napięć znamionowych w zakresie średnich napięć U_U (3) -5-6-10-15-20-30-40-60-110kV

Przeważnie w Polsce krajową sieć energetyczną KSE tworzą napowietrzne linie o napięciach 750, 400, 220kV zaliczane do sieci elektroenergetycznych przesyłowych ich zadaniem jest przesył energii z węzłów wytwarzania do węzłów odbiorczych stacji transformatorowo-rozdzielczych. 750/400kV, 400/110kV, 220/110kV-(nieopłacalność)

W Polsce zbudowano 112km lini o napięciu 750kV

4230km o napięciu 400kV, 8182km o napięciu 220kV, 36325km o napięciu 110kV

Sieć elektroenergetyczną tworzą:

• miejskie sieci elektroenergetyczne do których zalicza się napięcie NN, SN jak i 110kV

• rejonowe sieci elektroenergetyczne, które zasilają małe miasta, miejskie zakłady przemysłowe poza granicami miast, oraz wsie NN, SN i 110kV

• Przemysłowe sieci elektroenergetyczne, które są to sieci zainstalowane a napięcia zależą od zapotrzebowania w energię elektryczną oraz od rodzaju odbiorników.

3.2. KONFIGÓRACJA I STRUKTURA SIECI

Struktura sieci jest to określony układ sieci tak połączonej aby zapewnić odbiorcą wiele energii, odbiorcą przy odpowiednich parametrach i jakości.

Konfiguracja sieci jest to określony układ danej struktury sieci otrzymywany przez przełączenie lub wyłączenie jego elementów, wykonywana dla stanu przerwy normalnej

Podstawowe układy sieciowe to:

• otwarte

- promieniowe

- magistralne

• zamknięte

a)





















c)

b)

a) b)

Zamknięte podstawowa cechą jest to, że musza posiadać co najmniej dwa źródła zasilania

a) dwustronnie zasilana

A B

⇒ ⇐

b) pętlowy

⇒

Bardziej złożone struktury sieci zewnętrznych to sieci wielokrotnie zamknięte

Sieci kratowe (należą do sieci miejskich)

3. 3.1 IZOLATORY LINIOWE

Wykonuje się izolatory stojące i wiszące. Powinny spełniać wymagania .

A dobór izolatora wynika z: napięcia znamionowego, wytrzymałości mechanicznej:

• zginającej (dla izolatorów stojących)

• rozciągającej (dla izolatorów wiszących)

oraz warunków zabrudzeniowych.

Dla wyższych napięć stosowane są łańcuchy izolatorów złożone z kilku izolatorów.

Zawieszenie wykonuje się z dwóch podstawowych wersjach jako:

• zawieszenie przelotowe (gdy izolator lub łańcuch izolatorów nie podlega sile naciągu lub ta siła ta jest mała)

• zawieszenie odciągowe (przenoszące siłą naciągu)

3. 3.2 LINIE KABLOWE

Wykonuje się kablami wielożyłowymi lub wiązką kabli jednożyłowymi w układzie trójfazowym, względnie kilkoma równoległymi.

Linie kablowe stanowią 14% linii łącznej , ilość linii energetycznych w Polsce kable układane są w ziemi w kanałach kablowych oraz w tunelach i blokach kablowych. Mogą być też instalowane na ścianach budynków instalacjach wnętrzowych. Podstawową zaletą linii kablowych, jest brak narażeń na warunki atmosferyczne i wyładowania piorunowe.

Wadą są - mała wytrzymałość cieplna, zwarciowa, wysoki koszt inwestycyjny.

Kable składają się z żył roboczych p przekroju okrągłym segmentowym o przekrojach zawartych w przedziale 35 - 240mm². Najwyższe przekroje wynoszą 630mm²

Izolacja żył wykonana jest z papieru nasyconego olejem, z polietylenu i polwinylu.

Ekrany zakłada się na izolację żył w celu wyrównania rozkładu pola elektrycznego (radiowego)

Powłoka i osłony ochronne: zadaniem jest ochrona kabla przed wnikaniem wilgotności co zmniejsza niekorzystne zmiany własciwości izolacyjnych (rozwój mikrowyładowań izolacji kabla)

Osłony zewnętrzne chronią powłoki przed uszkodzeniami mechanicznymi.

3.4. STACJE ELEKTROENERGETYCZNE

Są elementami systemu elektroenergetycznego, w którym odbywa się rozdział i transformacje energii elektrycznej.

Rozdzielnica - układ pracujący przy jednym napięciu roboczym, którego centralnym punktem jest układ szynowy zbiorczy, z których następuje rozdział energii przy jednym napięciu

Stacje transformatorowo-rozdzielcze - jest to układ co najmniej dwóch rozdzielnic pracujących przy dwóch różnych napięciach i punktu transformacji.

Rozdzielnica układ konstrukcyjny zawierający tory prądowe, łączniki, przekładniki prądowe, napięciowe tworzące zamkniętą lub otwartą całość konstrukcyjną.

Rozdzielnie - budynek lub teren w którym znajdują się układy rozdzielne, urządzenia pomocnicze np. prądu stałego sprężonego powietrza, sterujące oraz pomieszczenia socjalne.

Rozdzielnica zawiera obwody główne i obwody pomocnicze. Funkcjonalnie w rozdzielnicy wyróżnia się: pole zasilające, odpływowe, sprzęgłowe, pomocnicze i inne

Stacje elektroenergetyczne są klasyfikowane ze względu na :

• napięcie znamionowe (NN, SN, WN)

• rodzaj wykonania (napowietrzne i wnętrzowe)

• sposób izolowania: z izolacją powietrzną, stałą, gazową (azot, powietrze), ciśnieniową

• z powiązania z systemem elektroenergetycznym i sposób zasilania: przelotowe, odczopowe, krańcowe

• podstawową funkcję i umiejscowienie SEE elektrownie, sieciowe, przemysłowe, miejskie

WYKŁAD

4.1.1 LINIE ELEKTROENERGETYCZNE

W ogólnym przypadku linie EE są czwórnikami typu Π przy czym w gałęziach poprzecznych uwzględnia się w większości a przypadków pojemności doziemne a dla linii najwyższych napięć również straty wynikające z ulotu.

Wielkościami charakterystycznymi dla impedancji wzdłużnych są:

• impedancje jednostkowe (rezystancje Rj i reaktancje Xj)

• admitancje (głównie susceptancja Bj jednostkowa)

Parametry te dobierane są z tablic lub z danych technicznych linii jeżeli dysponujemy tymi danymi wobec tego rezystancja będzie obliczana
lub

W obliczeniach przybliżonych można przyjąć

Xj = 0,37 ÷ 0,42 [Ω/km] średnio 0,4 dla linii napowietrznych

Xj = 0,1 [Ω/km] linie kablowe

Susceptancja pojemnościowa linii

R_L = Bj ⋅ L = ω ⋅ Co ⋅ L

Co = Coo + B Co'

Przeciętne wartości Co dla linii napowietrznych wynoszą:

Co = (8 ÷ 10) nF/km linie napowietrzne

Co = (200 ÷ 800) nF/km linie kablowe

W niektórych obliczeniach np. (obliczanie zwarć trójfazowych lub przy odwzorowaniu danego rodzaju sieci )

można wyprowadzić następujące schematy

1. Dla linii NN tzw. Linie I rodzaju

2. Przy SN linie można wyłącznie impedancją wzdłużną gdzie Z_L=R_L+Jx_L linie II rodzaju

Un < 30Kv

3. Linie WN - najwyższe napięcie sieci III rodzaju

4.1.2

Z₁ = R₁ + jX₁

Z₂ = R₂'' + jX₂''

R₂'' = R₂ ⋅ ....

X₂'' = X₂ ⋅

R_t = R₁ + R2'

Xt = X₁ + X₂''

Susceptancja indukcyjna

Io_{% = PRĄD BIEGU JAŁOWEGO TRANSFORMATORA}

4.1.3. TRANSFORMATOR TRÓJFAZOWY

W obliczeniach schematu zastępczego wszystkie impedancje sprowadzamy do 1

poziomu napięcia i wybranego w zależności od rodzaju obliczeń (np. przy

obliczaniu zwarć będzie to napięcie najbliższe miejscu zwarcia)

Rezystancja par uzwojeń R₁₂, R₂₃, R₁₃

R₁₂<<X₁₂ R₂₃<<X₂₃ R₁₃<<X₁₃

Reaktancje X₁₂ ≈ Z₁₂

np. >10MVA

Impedancje potrzebne są gdy liczymy zwarcie doziemne

4.1.4 SCHEMAD IDEOWY

4.2. OBLICZANIE STRAT I SPADKU NAPIĘĆ W SIECI

o

⇒

I₁ I₂ I₃ I_k-1 I_k I_k+1 I_n+1 I_n

ΔU

l

maksymalna wartość spadku napięcia

I przypadek

Dotyczy odliczeń przy użyciu metody odcinkowej polega ona na wyznaczeniu prądu obciążenia odcinka razy impedancja razy prąd tego odcinka. (musimy znać prąd w danym odcinku).

Wyznaczenie spadku napięcia w linii polega na dodawaniu algebraicznych podłużnych strat napięcia w poszczególnych odcinkach.

ΔU

I_(k-1)k

II przypadek

To metoda momentów - stosowana jest przez oddawanie spadków napięć względem punktu odniesienia wywołanych prądami odniesienia poszczególnych odbiorów mnożonymi przez impedancję toru między punktem odniesienia a punktem wybranego odbioru.

I₁ I₂

4.2.3. LINIE DWUSTRONNE ZASILANIA

Obliczanie ograniczamy do przypadku linii NN oraz SN z wieloma odbiornikami przy założeniu, że znane są wartości prądów odbioru I₁......I_n-1 i wartość napięć w punktach zasilania a również znane są parametry impedancyjne linii w poszczególnych odcinkach.

Io Im

⇒ ∇ - punkt spływu ⇐

⇒ ⇐

Uo Um

0 I₁ I₂ I₃ I_k-1 I_k I_k+1 I_2-m I_m-1 m

ΔU

ΔU_{max następuje w miejscu}

_spływu

U_m

W celu wyznaczania rozpływów prądów należy wyznaczyć prądy w punktach zasilania

W celu wyznaczenia prądów zasilania wykorzystuje się mat odę momentów spadków napięć względem wybranych punktów zasilania. Jeżeli wyznaczymy momenty względem punktu m to różnica napięć

Prądy Io i Im składają się z dwóch składowych

Pierwszej składowej wynikającej z I obciążenia danych punktów odbioru pomnożonych przez impedancję odcinków Z_km i odniesionych do impedancji całej linii oraz składowej różnicowej wynikającej z różnicy napięć w punktach zasilania. Drugi człon nazywany jest prądem różnicowym.

Trzeba zaznaczyć że punkt spływu mocy czynnej (lub prądów czynnych) nie musi pokrywać się z punktami spływu mocy lub prądów biernych.

Uo Ik

I_CZk

Ib_k

W sieciach wielokrotnie zamkniętych np. sieci kratowej zakłada się symetryczne obciążenia węzłów. Wyznacza się napięcie węzłowe a prądy gałęziowe oblicza się z różnic napięcia na początku i na końcu gałęzi

Zakładamy że we wszystkich punktach są takie same napięcia

4.3. OBLICZANIE STRAT MOCY I ENERGII

Zagadnienie straty mocy jest ważne w praktyce ponieważ straty sprawiają, że konieczne jest wytworzenie dodatkowej energii w elektrowniach, a tek że powodują dodatkowe obciążenie uderzeń sieciowych (linii, trafo). W obliczeniach najczęściej wyznacza się maksymalne straty mocy czynnej i biernej odpowiadające szczytowemu obciążeniu sieci oraz roczne straty energii czynnej. W bilansie mocy czynnej straty stanowią kilkanaście % przy czym duży udział w stratach mają sieci rozdzielcze. WW bilansie mocy biernej straty osiągają połowę wartości stąd prowadzone są działania do ograniczenia przesyłania mocy biernej.

Straty dzielimy na:

• Straty obciążeniowe, które są zależne od obciążenia i powstają na impedancjach podłużnych

• Straty jałowe są praktycznie niezależne od obciążenia i powstają na poprzecznych gałęziach schematu zastępczego i nazywane są stratami poprzecznymi

• Straty obciążeniowe są zależne od kwadratu prądu natomiast, straty jałowe od kwadratu napięcia w miejscu ich powstania

4.3.1. STY MOCY CZYNNEJ

I²- wartość skuteczna prądu płynącego w danym elemencie

R - rezystancja podłużna danego elementu

Straty te są funkcją prądu obciążenia a zatem mają wartość zmienną w czasie i należy uwzględniać je w liniach oraz w transformatorach są omijane dla dławików i kondensatorów.

17

P

P11P1i

P1P1i

P1

P

P

---