„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
MINISTERSTWO EDUKACJI
i NAUKI
Eleonora Muszyńska
Prowadzenie racjonalnej gospodarki energetycznej
311[08].Z3.05
Poradnik dla ucznia
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy
Radom 2005
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
1
Recenzenci:
mgr Arkadiusz Sadowski
mgr inż. Anna Tąpolska
Opracowanie redakcyjne:
mgr inż. Katarzyna Maćkowska
Konsultacja:
dr Bożena Zając
Korekta:
mgr inż. Jarosław Sitek
Poradnik stanowi obudowę dydaktyczną programu jednostki modułowej 311[08].Z3.05
„Prowadzenie racjonalnej gospodarki energetycznej” zawartego w modułowym programie
nauczania dla zawodu technik elektryk.
Wydawca
Instytut Technologii Eksploatacji – Państwowy Instytut Badawczy, Radom 2005
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
2
SPIS TREŚCI
1. Wprowadzenie
3
2. Wymagania wstępne
4
3. Cele kształcenia
5
4. Materiał nauczania
6
4.1. Jakość energii elektrycznej
6
4.1.1. Materiał nauczania
4.1.2. Pytania sprawdzające
4.1.3. Ćwiczenia
4.1.4. Sprawdzian postępów
6
8
9
10
4.2. Obliczanie strat w sieciach przesyłowych i rozdzielczych
11
4.2.1. Materiał nauczania
4.2.2. Pytania sprawdzające
4.2.3. Ćwiczenia
4.2.4. Sprawdzian postępów
11
12
12
14
4.3. Metody regulacji napięcia
15
4.3.1. Materiał nauczania
4.3.2. Pytania sprawdzające
4.3.3. Ćwiczenia
4.3.4. Sprawdzian postępów
15
19
19
21
4.4. Metody oszczędzania energii elektrycznej
22
4.4.1. Materiał nauczania
4.4.2. Pytania sprawdzające
4.4.3. Ćwiczenia
4.4.4. Sprawdzian postępów
22
23
23
24
4.5. Poprawa współczynnika mocy
25
4.5.1. Materiał nauczania
4.5.2. Pytania sprawdzające
4.5.3. Ćwiczenia
4.5.4. Sprawdzian postępów
25
27
27
32
4.6. Dystrybucja energii elektrycznej
33
4.6.1. Materiał nauczania
4.6.2. Pytania sprawdzające
4.6.3. Ćwiczenia
4.6.4. Sprawdzian postępów
33
33
33
34
5. Sprawdzian osiągnięć
35
6. Literatura
40
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
3
1. WPROWADZENIE
Poradnik będzie Ci pomocny w przyswajaniu wiedzy i kształtowaniu umiejętności
z zakresu prowadzenia racjonalnej gospodarki energetycznej.
Wiadomości i umiejętności z tej dziedziny zostały określone w jednostce modułowej
311[08].Z3.05. „Prowadzenie racjonalnej gospodarki energetycznej”. Jest to jednostka
modułowa zawarta w module „Budowa i eksploatacja sieci elektroenergetycznych”.
W poradniku zamieszczono:
− szczegółowe cele kształcenia,
− materiał nauczania dotyczący poszczególnych tematów,
− pytania sprawdzające,
− ćwiczenia,
− sprawdziany postępów,
− przykładowy zestaw zadań testowych przygotowany dla potrzeb sprawdzenia
efektywności kształcenia,
Jednostka modułowa „Prowadzenie racjonalnej gospodarki energetycznej” została
podzielona na 6 tematów. Każdy z nich zawiera ćwiczenia i materiał nauczania niezbędny do
ich wykonania.
Przed przystąpieniem do realizacji ćwiczeń, przeczytaj materiał nauczania a następnie,
odpowiedz na pytania sprawdzające (są one zamieszczone w każdym rozdziale, po materiale
nauczania). Udzielone odpowiedzi pozwolą Ci sprawdzić, czy jesteś dobrze przygotowany do
wykonania zadań.
Po zrealizowaniu każdego tematu możesz sprawdzić swoje osiągnięcia w tym zakresie.
W tym celu odpowiedz sobie na specjalnie przygotowane pytania w sprawdzianie postępów.
Treść programu jednostki modułowej zawiera podstawowe zagadnienia związane
z prowadzeniem racjonalnej gospodarki energetycznej. W wyniku realizacji programu
powinieneś opanować umiejętności:
− obliczania spadków napięć i strat w sieciach przesyłowych i sieciach rozdzielczych,
− rozróżniania i charakteryzowania metod regulacji napięcia,
− analizowania metod oszczędzania energii elektrycznej,
− dobierania i badania układów do kompensacji mocy biernej.
Po zakończeniu realizacji programu tej jednostki modułowej nauczyciel sprawdzi Twoje
wiadomości i umiejętności za pomocą testu pisemnego. Abyś miał możliwość dokonania
ewaluacji swoich działań, rozwiąż przykładowy test podsumowujący cały materiał,
zamieszczony na końcu niniejszego poradnika.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
4
2. WYMAGANIA WSTĘPNE
Przystępując do realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
− rozróżniać podstawowe wielkości elektryczne i ich jednostki,
− stosować ważniejsze wzory z zakresu elektrotechniki,
− charakteryzować zjawiska zachodzące w polu elektrycznym i magnetycznym,
− odczytywać proste schematy i na ich podstawie dokonywać analizy,
− dobierać i obsługiwać przyrządy pomiarowe,
− łączyć układy na podstawie schematów,
− posługiwać się dokumentacją techniczną,
− korzystać z literatury technicznej, podręczników, norm oraz przepisów budowy
i eksploatacji urządzeń elektroenergetycznych,
− wykorzystywać technologię komputerową i informacyjną,
− pracować w grupie i indywidualnie,
− analizować i wyciągać wnioski,
− oceniać swoje umiejętności,
− uczestniczyć w dyskusji,
− przygotowywać prezentację,
− prezentować siebie i grupę, w której pracujesz,
− stosować różne sposoby przekazywania przygotowanych informacji,
− przestrzegać przepisy bezpieczeństwa i higieny pracy, ochrony przeciwpożarowej
i ochrony środowiska.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
5
3. CELE KSZTAŁCENIA
W wyniku realizacji programu jednostki modułowej powinieneś umieć:
− scharakteryzować parametry określające jakość energii elektrycznej,
− obliczyć straty mocy w sieciach rozdzielczych i przesyłowych,
− obliczyć spadki napięcia w sieciach elektroenergetycznych,
− rozróżnić i scharakteryzować metody regulacji napięcia,
− scharakteryzować metody oszczędzania energii elektrycznej,
− dobrać metody kompensacji mocy biernej w celu poprawy współczynnika mocy,
− scharakteryzować sposoby dystrybucji energii elektrycznej,
− posłużyć się katalogami, normami, przepisami i dokumentacją techniczną,
− zastosować zasady bhp i ochrony przeciwpożarowej podczas pracy.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
6
4.
MATERIAŁ NAUCZANIA
4.1. Jakość energii elektrycznej
4.1.1. Materiał nauczania
Jakość energii elektrycznej jest jednym z podstawowych elementów prowadzenia
racjonalnej gospodarki energetycznej, obejmującej: wytwarzanie, przesyłanie, rozdział oraz
użytkowanie energii elektrycznej. Nowoczesne odbiorniki wymagają dostarczania z sieci
energii elektrycznej o określonym poziomie jakości, to znaczy o takich parametrach, których
wielkości zawierają się w dopuszczalnym zakresie.
Parametry określające jakość energii elektrycznej oraz dopuszczalne zakresy zmian
wartości tych parametrów określa norma PN-EN-50160 „Parametry napięcia zasilającego
w publicznych sieciach rozdzielczych”. Najważniejsze z nich to [2]:
1. Częstotliwość – wartość średnia częstotliwości mierzona w czasie 10 s, nie powinna
przekraczać o więcej niż ±1% częstotliwości znamionowej, to jest (49,5÷50,5) Hz przez
95% tygodnia oraz +4% i –6%, to jest (47
÷52) Hz przez pozostałe 5% tygodnia.
2. Wartość napięcia zasilającego – znormalizowane napięcie znamionowe w publicznych
sieciach rozdzielczych niskiego napięcia powinno wynosić 400/230 V.
3. Zmiany napięcia zasilającego – średnia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie
10 minut w normalnych warunkach pracy powinna mieścić się w przedziale ±10%
napięcia znamionowego przez 95% tygodnia.
4. Szybkie zmiany napięcia – szybkie zmiany napięcia w normalnych warunkach pracy nie
powinny przekraczać 5% U
N
. Dopuszcza się, aby w pewnych okolicznościach zmiany te
osiągnęły kilka razy w ciągu dnia wartość do 10% U
N
.
5. Zapady napięcia zasilającego – W normalnych warunkach pracy zapady napięcia
przekraczające 10 % U
N
mogą występować od kilkudziesięciu do tysiąca razy w ciągu
roku; większość zapadów charakteryzuje się czasem trwania krótszym niż 1 s
i głębokością mniejszą niż 60%.
6. Krótkie przerwy w zasilaniu (do 3 min) – w normalnych warunkach pracy liczba krótkich
przerw w zasilaniu może wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset w ciągu roku; czasy
trwania krótkich przerw w zasilaniu przeważnie nie przekraczają 1s.
7. Długie przerwy w zasilaniu (dłuższe niż 3 minuty) – w normalnych warunkach pracy
liczba przerw w zasilaniu trwających dłużej niż 3 minuty może dochodzić do 50 w ciągu
roku; (nie dotyczy to wyłączeń planowych).
8. Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej – niektóre zakłócenia po stronie
pierwotnej transformatora, na przykład zwarcia, mogą powodować przepięcia po stronie
niskiego napięcia, nie przekraczające z reguły 1500 V. W przypadkach doziemień
w sieciach nn, na skutek przesunięcia punktu neutralnego, napięcia faz nieuszkodzonych
względem przewodu neutralnego mogą osiągać do 3 razy wyższe wartości.
9. Przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania – przepięcia przejściowe są
powodowane przez wyładowania atmosferyczne lub czynności łączeniowe, w tym przez
działanie bezpieczników; w sieciach niskiego napięcia właściwie chronionych, przepięcia
z reguły nie przekraczają 6 kV.
10. Niesymetria napięcia zasilającego – średnie wartości skuteczne składowej symetrycznej
przeciwnej mierzone w czasie 10 min, w normalnych warunkach pracy, w okresie
każdego tygodnia, w 95% pomiarów nie powinny przekraczać 2% składowej zgodnej;
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
7
w instalacjach odbiorców zasilanych jednofazowo lub międzyfazowo dopuszcza się
niesymetrię w sieci trójfazowej do 3%.
11. Harmoniczne napięcia zasilającego – średnie wartości skuteczne poszczególnych
harmonicznych mierzone w czasie 10 min, w normalnych warunkach pracy nie powinny
przekraczać wartości dopuszczalnych (określonych w normie). Ponadto współczynnik
THD
u
napięcia zasilającego uwzględniający harmoniczne do 40 rzędu nie powinien
przekraczać 8%.
100%
THD
1
n
2
h
2
h
⋅
=
∑
=
U
U
U
–
współczynnik deformacji napięcia zasilającego
O pracy odbiorników energii elektrycznej decyduje każdy z parametrów określających
jakość energii. Decydujący wpływ ma jednak poziom napięcia, czyli wartość napięcia
występującego długotrwale na zaciskach przyłączeniowych pracujących odbiorników.
Odbiory pracują najlepiej, jeżeli są zasilane napięciem równym napięciu znamionowemu lub
niewiele się od niego różniącym. Poziom napięcia nie zależy tylko od wartości napięcia
źródła zasilania, ale również od stanu technicznego instalacji oraz innych odbiorników
zasilanych z tej samej sieci.
Zmiana wartości napięcia w sieci – główną jej przyczyną jest zmienność obciążenia sieci
w czasie (załączanie i odłączanie odbiorników). Zmiany napięcia wykraczające poza granice
tolerancji ±10% są szkodliwe dla wszystkich rodzajów odbiorników i powodują zakłócenie
w ich pracy. Obniżenie wartości napięcia powoduje zwiększone straty przesyłu w liniach,
transformatorach i innych urządzeniach. Nadmierny wzrost wartości napięcia prowadzi
natomiast do wzrostu prądów magnesowania transformatorów i silników oraz do zniszczenia
lub skrócenia trwałości izolacji urządzeń.
Wpływ poziomu (wartości skutecznej) napięcia zasilającego na pracę różnych rodzajów
odbiorników dokonuje się w oparciu o zależności matematyczne lub odpowiednie
charakterystyki. Na przykład wzór
Ф = Ф
N
(U / U
N
)
b
gdzie: b – współczynnik równy 3,6 dla żarówek i 1,8 dla lamp wyładowczych,
Ф
N
– strumień przy napięciu znamionowym
pokazuje jak zmienia się strumień świetlny odbiorników oświetleniowych przy zmianach
napięcia zasilającego w stosunku do napięcia znamionowego.
Analogicznie trwałość źródeł światła określa zależność:
T = T
N
(U/U
N
)
-14
gdzie: T
N
– trwałość znamionowa równa zwykle 1000 h.
Wahania napięcia – podstawową ich przyczyną jest zmienność w czasie, głównie mocy
biernej odbiorników. Należą do nich między innymi: piece łukowe, regulowane napędy
elektryczne, piły, młoty elektryczne, pompy, windy, dźwigi, a więc urządzenia o zmiennym
w czasie obciążeniu, których moc jest znaczna w porównaniu z mocą zwarciową w punkcie ich
przyłączenia. Skutki wahań napięcia mają charakter techniczno-technologiczny i ergonomiczny.
Bardzo czułe na wahania napięcia są źródła światła, w przypadku których występuje zmiana
strumienia świetlnego, objawiająca się migotaniem światła, niekorzystnie wpływającym na
wzrok i samopoczucie człowieka. Skutkiem może być uczucie zmęczenia, trudności
w koncentracji, spadek wydajności, a nawet może to prowadzić do wypadków przy pracy.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
8
Zapady napięcia i krótkie przerwy w zasilaniu – do głównych przyczyn zaliczamy zwarcia
w systemie zasilającym lub w instalacjach odbiorców, procesy łączenia odbiorników dużej mocy
(na przykład rozruchy silników), zmiany konfiguracji sieci, pracę odbiorników o zmiennym
obciążeniu. Skutki zaburzenia dotyczą takich odbiorników jak aparatura łączeniowa – styczniki,
przekaźniki, regulowane napędy, sprzęt informatyczny. Najpowszechniej występującymi
skutkami są brak transmisji sygnałów lub błędny przekaz czy utrata danych.
Odkształcenie przebiegów czasowych prądu i napięcia, czyli pojawienie się dodatkowych
harmonicznych w przebiegu napięcia lub prądu – ich źródłem są w sieciach urządzenia
z rdzeniami magnetycznymi (na przykład transformatory, silniki, generatory), urządzenia
łukowe, urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne.
Do najważniejszych skutków odkształceń prądu i napięcia zaliczamy: zwiększone straty
mocy w uzwojeniach i rdzeniach silników i transformatorów, dodatkowe momenty
harmoniczne w generatorach i silnikach, wywołujące oscylacje mechaniczne oraz zwiększony
poziom zakłóceń akustycznych, przeciążenia prądowe i napięciowe kondensatorów
powodujące przyspieszone starzenie się dielektryka i skrócenie czasu życia, skrócenie
trwałości źródeł światła, dodatkowe uchyby przyrządów pomiarowych, zakłócenia w pracy
układów elektronicznych, zwiększone straty w przewodach instalacyjnych, głównie w
przewodzie neutralnym (ochronno-neutralnym).
Z przytoczonych przykładów widać, że o jakości energii elektrycznej decyduje bardzo
wiele parametrów. Na niektóre z nich odbiorca energii nie ma żadnego wpływu, ale
w niektórych przypadkach może podjąć działania zmierzające do poprawy jakości napięcia.
Do najprostszych przedsięwzięć można zaliczyć ustalenie i wydzielenie odbiorników
o znacznych mocach znamionowych pobierających prąd odkształcony i zasilanie ich
osobnymi liniami lub z osobnych obwodów. Do takich odbiorników zaliczyć należy między
innymi sprzęt informatyczny, który powinien być zasilany z wydzielonych obwodów.
Inną ingerencją jest zastosowanie specjalnych filtrów.
W odniesieniu do zakładów przemysłowych poprawę jakości zasilania zapewnić można
przez:
a) poprawę pewności zasilania (wybór układu zasilania, stosowanie automatyki SZR,
stosowanie układów bezprzerwowego zasilania do systemów teleinformatycznych),
b) zapewnienie odpowiedniego poziomu napięcia (na etapie projektowania stosować
dokładne metody wyznaczania obciążeń, odpowiednio dobierać oprzewodowanie,
stosować dostępne metody regulacji napięcia),
c) ograniczenie wahań napięcia powodowanych pracą odbiorników niespokojnych
(rozdzielenie zasilania odbiorników niespokojnych, kompensację mocy biernej),
d) ograniczenie asymetrii prądów (symetryczny rozdział obciążeń na poszczególne fazy),
e) przeciwdziałanie skutkom zapadów napięcia w układach napędowych (modyfikacja
układów sterowania, stabilizatory napięcia, alternatywne zasilanie).
4.1.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jakie parametry określają jakość energii elektrycznej?
2. Jaka jest znormalizowana wartość napięcia zasilającego w publicznych sieciach
rozdzielczych?
3. Jak zmiana napięcia zasilającego wpływa na pracę odbiorników w twoim domu?
4. Jakie czynniki wpływają na wahania napięcia w sieciach?
5. Co to są zapady napięcia i czym są powodowane?
6. Jakie skutki wywołują odkształcone przebiegi napięcia i prądu?
7. W jaki sposób odbiorca energii może wpływać na poprawę jakości napięcia?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
9
4.1.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Korzystając z informacji zawartych w różnych źródłach wyjaśnij:
1. Jaki wpływ na pracę silnika asynchronicznego ma zmiana wartości napięcia zasilającego?
2. Jaki wpływ na pracę przekształtników prądu i urządzeń energoelektronicznych mają
wahania napięcia w sieci?
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyjaśnić, jaki silnik elektryczny nazywamy asynchronicznym i co to są przekształtniki,
2) pracować w grupach dwuosobowych, wyszukując informacje związane z podanym
tematem, mając do dyspozycji komputer z dostępem do Internetu, podręczniki, katalogi
i czasopisma fachowe,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy po zgromadzeniu i opracowaniu materiałów.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− stanowisko z dostępem do Internetu,
− podręczniki, katalogi silników i przekształtników, czasopisma fachowe,
− zeszyt do ćwiczeń, długopis.
Uwaga: Czas na wykonanie ćwiczenia na zajęciach 30 minut. Pracę można wykonywać
również indywidualnie w postaci projektu, w domu.
Ćwiczenie 2
Wyszukując informacje w różnych źródłach, przygotuj krótką prezentację zawierającą
odpowiedzi na następujące pytania:
1. Jakie przyczyny powodują odchylenia napięcia w sieciach?
2. Czym spowodowane jest migotanie źródeł światła?
3. W jaki sposób można ograniczyć wahania napięcia w sieciach?
4. W jaki sposób uzyskuje się poprawę pewności zasilania?
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) wyjaśnić, co to są wahania i odchylenia napięcia,
2) pracować samodzielnie, wyszukując informacje w różnych źródłach i zapisując
odpowiedzi do zeszytu,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy, zwracając uwagę na poprawność słownictwa.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− stanowisko z dostępem do Internetu,
− podręczniki, czasopisma fachowe,
− zeszyt do ćwiczeń, długopis.
Uwaga: Czas prezentacji nie powinien przekraczać 5 minut.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
10
4.1.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wymienić parametry określające jakość energii elektrycznej?
2) scharakteryzować parametry określające jakość energii elektrycznej?
3) określić wpływ poszczególnych parametrów określających jakość na
pracę różnych urządzeń?
4) wyjaśnić, jak dystrybutor może wpływać na poprawę jakości
zasilania?
5) wyjaśnić, jaki wpływ na poprawę jakości zasilania może mieć
odbiorca?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
11
4.2. Obliczanie strat w sieciach przesyłowych i rozdzielczych
4.2.1. Materiał nauczania
Prąd elektryczny, przepływając przez linie przesyłowe czy rozdzielcze, wywołuje na
rezystancji R toru przesyłu stratę napięcia I
⋅R (jest ona zgodna w fazie z prądem), a na
reaktancji X stratę I
⋅X (wyprzedza ona prąd o kąt 90
o
). Zgodnie z II prawem Kirchhoffa
napięcie na początku linii U
1
jest równoważone przez sumę napięcia U
2
na końcu linii i obu
strat napięcia (rys. 1).
Strata napięcia jest to różnica geometryczna napięcia
U
1
na początku i napięcia U
2
na
końcu linii
Spadek napięcia jest to różnica algebraiczna napięcia U
1
na początku i napięcia U
2
na
końcu linii
ΔU = U
1
- U
2
Prąd elektryczny, przepływając przez linie przesyłowe, transformatory, dławiki,
wywołuje straty mocy (podłużne). Na rezystancji występują straty mocy czynnej a na
reaktancji straty mocy biernej. Prąd obciążenia I na wzdłużnej rezystancji R wywołuje
obciążeniowe straty mocy czynnej ΔP = I
2
R, a na wzdłużnej reaktancji X obciążeniowe straty
mocy biernej ΔQ = I
2
X.
W układzie trójfazowym symetrycznym, o rezystancji R i reaktancji X w każdej fazie,
całkowite obciążeniowe straty mocy czynnej i obciążeniowe mocy biernej występujące
w trzech przewodach (biegunach) są trzykrotnie większe:
R
U
Q
U
P
R
U
Q
P
R
U
S
R
U
U
I
R
I
P
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
R
3
3
Δ
+
=
+
=
=
=
=
X
U
Q
X
U
P
X
U
Q
P
X
U
S
X
U
U
I
X
I
Q
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
3
3
Δ
+
=
+
=
=
=
=
gdzie U – napięcie międzyfazowe linii
Wzory te pokazują, jaka część strat mocy czynnej ΔP i strat mocy biernej ΔQ jest
wywołana przesyłem mocy czynnej P, a jaka przesyłem mocy biernej Q.
Rys. 2. Bilans mocy czynnej i biernej w torze przesyłowym [6]
ΔU
φ
I
I
⋅R
U
1
U
2
I
⋅X
Rys. 1. Wykres ilustrujący spadek napięcia [źródło własne]
ΔU = U
1
- U
2
_ _ _
P
1
, Q
1
ΔPj ΔQj
P
2,
Q
2
ΔP
obc
ΔQ
obc
I
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
12
P
1,
Q
1
– moc czynna i moc bierna na wejściu,
P
2
, Q
2
– moc czynna i moc bierna na wyjściu,
ΔP
j,
ΔQ
j
– jałowe straty mocy czynnej i biernej,
ΔP
obc
, ΔQ
obc
– obciążeniowe straty mocy czynnej i biernej.
W przedziale czasu, w którym prąd obciążenia jest niezmienny, nie zmieniają się też
obciążeniowe straty mocy. Wystarczy pomnożyć je przez rozpatrywany czas, aby otrzymać
straty energii ΔA
p
i ΔA
Q
. Jeżeli obciążenie zmienia się w czasie, to zmienny przebieg
obciążenia można podzielić na przedziały czasów, w których może być ono uważane za stałe.
Straty jałowe ΔP
j
i ΔQ
j
są niezależne od obciążenia i mają znaczącą wartość
w transformatorach, maszynach wirujących i liniach najwyższych napięć. Iloczyn jałowych
strat mocy i czasu ich trwania stanowi jałowe straty energii czynnej i energii biernej.
4.2.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1) Co to jest spadek napięcia?
2) Jaka jest różnica między spadkiem a stratą napięcia?
3) Od czego zależy spadek napięcia w linii jednofazowej?
4) W jaki sposób można obliczyć spadek napięcia w linii trójfazowej?
5) Jakie straty mocy występują na rezystancji a jakie na reaktancji?
6) Jak różnią się straty w symetrycznym układzie trójfazowym od strat w układzie
jednofazowym?
7) Od czego zależą straty mocy w układzie jednofazowym?
8) Jak obliczyć straty mocy w układzie trójfazowym?
9) Co to są straty jałowe mocy czynnej i biernej?
10) Jaka jest różnica między stratą mocy a stratą energii?
4.2.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Oblicz spadek napięcia Δu
%
oraz straty mocy ΔP w obwodzie jednofazowym
o U
N
= 230V, zakładając, że przewód YDYp 3x1,5 mm
2
o długości l = 12m zasila odbiór
(o charakterze czysto rezystancyjnym) skupiony na końcu układu.
Obwód jest w pełni obciążony i przepływa przez niego prąd równy obciążalności
długotrwałej przewodu I
z
= 16 A. Przyjmij założenie, że: X
L
« R
L
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat ideowy układu,
2) obliczyć rezystancję przewodu zasilającego pamiętając, że obwód jest w pełni obciążony,
3) obliczyć spadek napięcia w woltach i w %,
4) obliczyć straty mocy w watach i w %,
5) wyciągnąć wnioski z obliczeń.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator,
− zeszyt, długopis.
Uwaga: Czas na samodzielne wykonanie zadania na zajęciach – 15 minut.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
13
Ćwiczenie 2
Dany jest układ trójfazowy linii napowietrznej 4xAL – 70 mm
2
o długości l = 270 m,
U
N
= 400 V. Oblicz straty mocy czynnej ΔP i biernej ΔQ, wiedząc, że obwód jest obciążony
odbiorem o mocy P
obc
= 40 kW o cosφ = 0,8.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obliczyć rezystancję R
L
i reaktancję X
L
tej linii (korzystając z odpowiednich wzorów lub
na podstawie parametrów jednostkowych dla linii napowietrznych dobranych z katalogu
lub poradnika),
2) obliczyć straty mocy korzystając z odpowiednich wzorów,
3) zaprezentować wyniki swoich obliczeń.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator,
− katalog przewodów linii napowietrznych,
− zeszyt, długopis.
Uwaga: Czas na samodzielne wykonanie zadania na zajęciach – 15 minut
Ćwiczenie 3
Dany jest transformator trójfazowy o parametrach: 15/0,4 kV, S
N
= 630kVA,
Δu
z%
= 6%,
I
o%
= 1% (prąd stanu jałowego),
ΔP
obcN
= 6,3 kW (znamionowe straty obciążeniowe mocy czynnej),
ΔPj
N
= 0,8 kW (znamionowe straty jałowe mocy czynnej),
ΔQ
jN
= I
o%
·S
N
= 6,3 kvar (znamionowe jałowe straty mocy biernej),
R
T
= 0,0028 Ω, X
T
= 0,0160 Ω (są to parametry odniesione na stronę niskiego napięcia).
Obciążenie w ciągu doby wynosi:
t
1
= 3 h S
1
= 500 kVA
t
2
= 6 h S
2
= 400 kVA
t
3
= 15 h S
3
= 300 kVA
Oblicz dobowe straty energii czynnej i energii biernej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obliczyć dobowe jałowe starty energii biernej,
2) obliczyć dobowe jałowe straty energii czynnej,
3) obliczyć dobowe obciążeniowe straty energii biernej,
4) obliczyć dobowe obciążeniowe straty energii czynnej,
5) obliczyć całkowite straty energii czynnej i energii biernej,
6) zaprezentować wyniki obliczeń.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator,
− zeszyt długopis.
Uwaga: Czas na samodzielne wykonanie zadania na zajęciach – 20 minut.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
14
4.2.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) zdefiniować spadek napięcia?
2) obliczyć spadek napięcia w sieci przesyłowej?
3) przeliczyć spadek napięcia w woltach na spadek napięcia w %
i odwrotnie?
4) obliczyć straty mocy w sieciach przesyłowych?
5) obliczyć straty mocy w sieciach rozdzielczych?
6) obliczyć straty energii elektrycznej w sieciach przy stałym
obciążeniu?
7) obliczyć straty energii elektrycznej w sieciach przy obciążeniu
zmieniającym się w czasie?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
15
4.3. Metody regulacji napięcia
4.3.1. Materiał nauczania
Ujemne skutki zmian napięcia w sieciach elektroenergetycznych skłaniają do szukania
skutecznych rozwiązań, pozwalających utrzymać napięcie na wymaganym poziomie.
W zależności od potrzeb stosuje się następujące metody regulacji napięcia w sieciach
elektroenergetycznych:
1. Regulacja napięcia przez zmianę przekładni transformatora.
2. Transformatory dodawcze.
3. Regulacja przez zmianę parametrów sieci:
a) przez zmianę konfiguracji sieci,
b) przez zmianę rozpływu mocy biernej (kompensacja).
4. Regulacja napięcia w węzłach elektrownianych.
Regulacja przez zmianę przekładni transformatorów jest najbardziej rozpowszechnionym
sposobem nastawiania napięcia. Każdy transformator energetyczny wyposażony jest w kilka
zaczepów, na przykład +5% czy –10%. Zaczepy te odpowiadają procentowym zmianom
liczby zwojów w stosunku do przekładni znamionowej transformatora. Ze względu na dużą
wartość prądu zaczepy umieszczone są zwykle po stronie WN.
Znając liczbę zwojów oraz układ połączeń transformatora, można obliczać dowolne
napięcia w transformatorach.
Na przykład w układzie połączeń Yd przekładnia transformatora wynosi:
2
1
2
1
3
N
N
U
U
K
⋅
=
=
Korzystając z tej zależności można obliczyć na przykład
U
1+5%
= U
1
+ 0,05·U
1
, a następnie:
U
2
= U
1+5%
N
2 :
3 N
1
Rozróżnia się transformatory z regulacją w stanie beznapięciowym oraz z regulacją pod
obciążeniem.
Transformatory regulowane w stanie beznapięciowym mają przełącznik, którym steruje
się ręcznie, po odłączeniu transformatora od sieci zasilającej (rys. 3).
Rys. 3. Zmiana przekładni transformatora [4]
Zaczep zerowy „0” odpowiada wartości znamionowej napięcia. Na zaczepie +5% liczba
zwojów jest większa o 5% od liczby zwojów na zaczepie zerowym, co odpowiada
zmniejszeniu 0 5% napięcia po stronie wtórnej transformatora. Na zaczepie –5% liczba
zwojów jest o 5% mniejsza niż na zaczepie zerowym.
Transformatory te są regulowane tylko sezonowo albo w razie konieczności zmiany
konfiguracji lub obciążenia szczytowego sieci.
+5%
0%
-5%
U
1
U
2
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
16
Transformatory z regulacją pod obciążeniem są stosowane na wyższe napięcia, w dużych
stacjach elektroenergetycznych. Zmiana zaczepu jest w tym przypadku automatyczna,
w zależności od zmniejszania się lub zwiększania napięcia w sieci. Regulacja napięcia jest
płynna, a transformator nie jest wyłączony na czas przełączania spod napięcia (kolejne etapy
przełączania zaczepów pod obciążeniem pokazuje rys. 4).
Rys. 4. Kolejne etapy przełączania zaczepów pod obciążeniem [4]
Aby we właściwy sposób dobrać zakres nastawienia (regulacji) lub położenie
przełącznika zaczepów należy bezwzględnie dokładnie obliczyć spodziewane lub
występujące spadki napięcia oraz wahania napięcia zasilającego.
Do regulacji napięcia w sieciach można wykorzystywać również transformatory
dodawcze. Symbol transformatora dodawczego włączonego do sieci przedstawia rys. 5.
Rys. 5. Symbol transformatora dodawczego [4]
Rys. 6. Sposób włączenia transformatora dodawczego [4]
Do uzwojenia zasilającego o liczbie zwojów N
z
doprowadzone jest napięcie U
1
z sieci
zasilającej. Poprzez regulację zaczepową zasilane jest uzwojenie dodawcze o liczbie zwojów
N
D
. Jest ono włączone szeregowo do sieci, a więc zaindukowane napięcie U
D
doda się do
napięcia sieci U
1
.
Regulacja napięcia przez zmianę konfiguracji sieci polega na łączeniu równoległym linii
i transformatorów w godzinach obciążenia szczytowego, a rozcinaniu tych połączeń
i wyłączaniu niektórych linii i transformatorów w godzinach nocnych.
T T
D
U
1
U
1
+U
D
U
D
N
D
N
Z
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
17
Rys. 7. Zasada zmiany konfiguracji sieci: a) połączenie sieci w godzinach obciążenia szczytowego,
b) sposób połączenia sieci w godzinach „dolin nocnych” [4]
Metoda ta charakteryzuje się tym, że jest możliwa do realizacji tylko w dużych stacjach
ze stałą obsługą, stanowi to wadę tego sposobu regulacji. Ponadto cechą charakterystyczną
jest duża skokowość regulacji. Dlatego metodę tę stosuje się jako dodatkową wtedy, gdy
regulacja automatyczna nie jest w stanie zapewnić odpowiednich poziomów napięć lub gdy
instalowanie automatycznej regulacji jest nieopłacalne.
Kolejnym sposobem regulacji napięcia jest zmiana rozpływu mocy biernej w sieciach.
Rozpływ mocy biernej można zmienić poprzez:
− włączenie szeregowo do sieci baterii kondensatorów,
− włączenie równolegle do sieci baterii kondensatorów,
− zastosowanie kompensatorów synchronicznych.
Korzystając ze schematu przedstawionego na rys. 8 można zapisać równanie napięć
postaci:
(
)
[
]
ϕ
ϕ
sin
cos
Δ
C
L
Wf
X
X
R
I
U
−
+
=
Rys. 8. Włączenie baterii kondensatorów szeregowo do sieci [4]
I
U
2
U
1
R X
L
X
C
Rys. 9. Wykres wektorowy przedstawiający spadek napięcia przed włączeniem
baterii kondensatorów ∆U oraz po włączeniu baterii kondensatorów ∆U
Wf
[4]
∆U
Wf
∆U
U
2
U
1
I
IR
jIX
L
jIX
c
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
18
Po przekształceniu tego równania otrzymujemy wzór na reaktancję pojemnościową
baterii kondensatorów:
ϕ
ϕ
sin
cos
Δ
Wf
L
C
I
IR
U
X
X
−
−
=
Reaktancja ta jest tak dobrana, aby przy znanych parametrach sieci otrzymać pożądany
spadek napięcia.
Mając reaktancję pojemnościową, można dobrać pojemność korzystając z zależności:
C
1
ωX
C
=
Włączenie szeregowe kondensatorów jest bardzo skuteczną metodą, jednak sposób ten
pozwala jedynie zmniejszyć spadek napięcia i nie ma możliwości dopasowania się w sposób
płynny do sytuacji w sieci.
Skuteczne zmniejszenie spadku napięcia uzyskać można również poprzez włączenie
równoległe do sieci baterii kondensatorów lub też kompensatorów synchronicznych.
Mechanizm działania obydwu urządzeń jest taki sam, z tą różnicą, że w kompensatorach
(maszynach synchronicznych pracujących na biegu jałowym, czyli nieobciążonych na wale)
istnieje możliwość regulacji prądu wzbudzenia (zwiększenie prądu wzbudzenia to
przewzbudzenie, a zmniejszenie to niedowzbudzenie). Dzięki temu w kompensatorach
istnieje możliwość zarówno zmniejszania jak i zwiększania spadków napięć.
Rys. 10. Schemat równoległego włączenia kondensatora lub kompensatora [4]
Mimo cennej zalety, jaką jest płynna regulacja spadków napięć w obu kierunkach,
kompensatory są trudniejsze w eksploatacji, a także koszt ich jest znacznie większy niż
kondensatorów. Dodatkowo charakteryzują się one większymi od kondensatorów stratami
mocy. Dlatego zastosowanie kondensatorów jest znacznie powszechniejsze zarówno do
regulacji napięcia, do poprawy współczynnika mocy u odbiorcy jak i do zmniejszenia strat
mocy w układzie przesyłowym.
Napięcie może być również regulowane w węzłach elektrownianych. Pod pojęciem węzeł
elektrowniany sieci przesyłowej należy rozumieć węzeł, w którym moc czynna jest
generowana do tej sieci. Są to przede wszystkim węzły sieci przesyłowej, do których są
przyłączone generatory elektrowni podstawowych poprzez transformatory blokowe.
W węzłach tych napięcie, po stronie górnej transformatora blokowego, jest regulowane
na dwa sposoby:
a) poprzez zmianę prądu wzbudzenia generatora, przy zachowaniu stałej przekładni
transformatora blokowego,
b) przez zmianę prądu wzbudzenia generatora i jednoczesną zmianę przekładni
transformatora, w przypadku regulowanej przekładni transformatora blokowego.
U
2
I
K
I
2
U
1
I+I
K
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
19
1 3
2
obciążenie
4.3.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaki jest cel regulacji napięcia w sieciach?
2. Jakie znasz sposoby regulacji napięcia w sieciach elektroenergetycznych?
3. Na czym polega regulacja przez zmianę przekładni transformatora?
4. Jakie znasz sposoby regulacji napięcia w transformatorach?
5. Jak wpływa zwiększenie liczby zwojów po stronie pierwotnej transformatora, a jak po
wtórnej na wartość napięcia wyjściowego?
6. Na czym polega regulacja napięcia przez zmianę konfiguracji sieci?
7. Co oznacza pojęcie „łączenie i rozcinanie” sieci elektroenergetycznych?
8. Na czym polega regulacja przez zmianę rozpływu mocy biernej?
4.3.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Transformator trójfazowy ma następujące dane:
S
N
= 630 kVA, U
GN
/U
DN
= 15750 ±5% / 5200 V układ Yd5.
Oblicz napięcie w stanie jałowym po stronie DN, gdy napięcie sieci U
1sieć
= 1500 V,
a przełącznik zaczepów znajduje się:
1) w pozycji + 5%,
2) w pozycji – 5%.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obliczyć napięcie wtórne na każdym zaczepie,
2) wyciągnąć wnioski dotyczące znaczenia regulacji tą metodą,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Uwaga: Czas na wykonanie ćwiczenia
−10 minut.
Ćwiczenie 2
Przeprowadź analizę metody regulacji napięcia przez zmianę konfiguracji sieci
w układzie przedstawionym na rys. 11.
Rys. 11. Fragment sieci elektroenergetycznej
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
20
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) pracować samodzielnie, mając 10 minut na wykonanie zadania,
2) narysować układ w godzinach obciążenia szczytowego,
3) narysować układ (układy) w godzinach dolin nocnych,
4) uzasadnić, że łączenie równoległe i rozcinanie połączeń wpływa na zmianę parametrów
sieci,
5) uzasadnić, że zmiana parametrów sieci wpływa na zmianę spadków napięcia,
6) podczas prezentacji podać wady i zalety tej metody.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Ćwiczenie 3
Zaprojektuj regulację napięcia w sieci 15 kV zasilanej z transformatora 110/16,5 kV,
pokazanej na rys. 12.
Rys. 12. Fragment sieci elektroenergetycznej [4]
Dane:
Linia AB wykonana przewodem AFL 70 mm
2
, linia BC przewodem AFL 35 mm
2
T
2
, T
3
– 1,6 MVA, u
z%
= 4,5%, ΔP
cu
= 1,2%, odcinek AB – 4 km, odcinek BC – 5 km.
Dane z rysunku dotyczą obciążenia szczytowego, natomiast obciążenie nocne należy
przyjąć jako równe połowie obciążenia szczytowego.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować sytuację w podanym fragmencie sieci, a następnie przystąpić do obliczeń,
2) wyznaczyć sinφ
B
i sinφ
c
oraz tgφ
B
i tgφ
c
, mając dane: cosφ
B
i cosφ
C
,
3) obliczyć rozpływ mocy – S
B
, S
C
oraz S
AB
= S
B
+S
C
pamiętając, że Q/P = tgφ,
4) obliczyć rezystancję i reaktancję odcinków AB i BC, przyjmując reaktancję jednostkową
linii X
o
= 0,4 Ω / km,
5) obliczyć spadki napięcia na odcinkach AB i BC przy obciążeniu szczytowym według
wzoru:
U
X
Q
R
P
U
⋅
+
⋅
=
Δ
,
T
1
110/16,5 kV
A
B C
T
2
T
3
1,4 MW 1,1 MW
cos
ϕ=0,9 cosϕ=0,8
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
21
6) obliczyć procentowe spadki napięcia według wzoru:
100%
Δ
Δ
N
%
U
U
u
=
,
7) obliczyć spadki napięcia na transformatorach T2 i T3 według wzoru:
β
)
sin
Δ
cos
(
Δ
%
X
%
CU
%
⋅
⋅
+
⋅
=
ϕ
ϕ
Δ
u
p
u
, gdzie:
N
β
S
S
=
S – obciążenie transformatora, S
N
– moc znamionowa transformatora,
8) obliczyć spadki napięcia w „dolinie nocnej”,
9) wyznaczyć procentowe napięcie na szynach A transformatora T1,
10) obliczyć spadki napięcia dla odbioru B, a następnie dla odbioru C według wzoru:
)/2
Δ
(Δ
δ
δ
min
max
TN
A
N
U
U
U
U
U
U
+
+
−
−
=
,
U
N
– napięcie znamionowe, U
A
– napięcie na szynach zasilających A,
TN
δU
− napięcie
dodawcze wynikłe z przekładni znamionowej transformatora,
max
ΔU
,
min
ΔU
− spadki napięć
na linii i transformatorze między punktem A a rozpatrywanym punktem odbioru (B lub C)
11) dobrać odpowiednie zaczepy dla transformatorów T
2
i T
3
,
12) dobrać odpowiednie zaczepy transformatora 110/16,5 kV,
13) wyciągnąć wnioski z przeprowadzonych obliczeń,
14) zaprezentować wyniki swojej pracy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− zeszyt do ćwiczeń, kalkulator, długopis.
Uwaga: Ćwiczenie należy do trudniejszych, jego samodzielne rozwiązanie i właściwe
wyciągnięcie wniosków jest równoznaczne z oceną celującą.
4.3.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) rozróżnić metody regulacji napięcia?
2) scharakteryzować metody regulacji przez zmianę przekładni
transformatora?
3) obliczyć napięcie wtórne transformatora przy różnym położeniu
przełącznika zaczepów?
4) scharakteryzować regulację za pomocą transformatora dodawczego?
5) zanalizować metodę regulacji przez zmianę parametrów sieci?
6) zaprojektować regulację napięcia w sieci średniego napięcia?
7) dobrać odpowiednią metodę regulacji napięcia w sieciach?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
22
4.4. Metody oszczędzania energii elektrycznej
4.4.1. Materiał nauczania
Wiadomo, że wszelkim procesom energetycznym nieodłącznie towarzyszą straty mocy
i energii. Istnieją jednak czynniki wpływające na wartość tych strat oraz metody, które
pozwalają oszczędzać energię elektryczną.
Wymagania w zakresie racjonalnego użytkowania energii oraz właściwego
wykorzystania urządzeń określa Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 roku „Prawo energetyczne”
oraz Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 20 grudnia 2004 roku w sprawie
szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci, ruchu i eksploatacji tych sieci.
Do oceny racjonalności użytkowania mocy i energii służą następujące wskaźniki:
− wskaźniki technologiczne – podające zużycie energii w samym procesie produkcyjnym,
− wskaźniki produkcyjne – podające zużycie energii w procesie technologicznym,
− wskaźniki zakładowe – określające całkowitą energię zużywaną w zakładzie.
Do czynników wpływających na zużycie energii elektrycznej należy zaliczyć:
− metody technologiczne i rodzaj stosowanych urządzeń technologicznych,
− surowce użyte do produkcji i sposób ich przygotowania,
− niedociążenie transformatorów i silników oraz znaczne spadki napięcia,
− brak możliwości regulacji obrotów w napędach i brak programowania pracy odbiorników,
− stopień automatyzacji,
− niewłaściwa gospodarka mocą bierną,
− zbędne oświetlenie i ogrzewanie.
Wiadomo już, że procesowi rozdziału i użytkowania energii elektrycznej towarzyszy
występowanie strat mocy i energii. Racjonalne gospodarowanie energią elektryczną polega na
takim prowadzeniu eksploatacji, aby straty eksploatacyjne, związane z marnotrawstwem i złą
konserwacją urządzeń, były jak najmniejsze.
Dla zmniejszenia strat mocy i energii, a więc poprawy efektywności użytkowania energii
elektrycznej należy podejmować zarówno działania inwestycyjne jak i eksploatacyjne.
Do inwestycyjnych metod zmniejszania strat mocy, a więc do metod oszczędzania
energii elektrycznej w instalacjach przemysłowych zaliczamy:
− budowa nowych linii oraz zwiększenie przekrojów przewodów i kabli,
− instalowanie baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy,
− wymiana transformatorów na jednostki o mniejszych stratach,
− stosowanie urządzeń energooszczędnych.
Do eksploatacyjnych metod zmniejszenia strat należą:
− utrzymanie możliwie wysokiego poziomu napięcia,
− stosowanie racjonalnych schematów układów sieciowych,
− opracowanie harmonogramów pracy zapewniających zmniejszenie poboru mocy
w okresie szczytów dobowych,
− wykorzystanie urządzeń o korzystniejszych wskaźnikach zużycia energii,
− bieżąca kontrola zużycia energii w procesach produkcyjnych,
− właściwa konserwacja urządzeń,
− ograniczenie pracy jałowej silników i transformatorów,
− kontrola dotrzymania właściwych parametrów procesu technologicznego.
W przypadku urządzeń i instalacji oświetleniowych wyróżnić można następujące metody
oszczędzania energii elektrycznej:
− stosowanie źródeł światła o wysokiej skuteczności świetlnej i wysokiej sprawności,
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
23
− systematyczne czyszczenie opraw,
− dzielenie oświetlenia na strefy i stosowanie oświetlenia mieszanego.
4.4.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1) Jakie czynniki wpływają na zwiększone zużycie energii elektrycznej?
2) Jakich strat energii elektrycznej nie można uniknąć, od czego one zależą?
3) Jakie straty występują w transformatorach, czy jest jakiś sposób, aby je zmniejszyć?
4) Jakie działania należy podejmować w zakładach pracy w celu oszczędzania energii
elektrycznej?
5) Jakie działania w gospodarstwach domowych zmierzają do oszczędzania energii
elektrycznej?
6) W jaki sposób obliczyć koszty zużycia energii elektrycznej przez odbiornik o określonej
mocy, w określonym czasie?
4.4.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Dokonaj analizy metod oszczędzania energii elektrycznej:
a) w Twoim domu,
b) w najbliższym zakładzie produkcyjnym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przeanalizować ostatnie rachunki za energię elektryczną,
2) oszacować czas pracy poszczególnych urządzeń,
3) obliczyć koszty pracy różnych urządzeń elektrycznych w określonym czasie,
4) przeprowadzić bilans energii, wykazując, jaki procent zużytej energii stanowi energia
pobierana przez poszczególne odbiorniki,
5) przygotować różne propozycje dotyczące oszczędzania energii razem z kalkulacją
cenową,
6) zaprezentować na zajęciach wyniki swojej analizy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis,
− rachunki za energię elektryczną.
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonywać w formie pracy projektowej, indywidualnie lub też
(w przypadku b) w grupach dwu-, trzyosobowych.
Czas na wykonanie projektu
−1 tydzień.
Ćwiczenie 2
Porównaj koszty oświetlenia (w okresie jednego roku) za pomocą tradycyjnej żarówki
100 W i równoważnej świetlówki kompaktowej 20 W.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
24
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zgromadzić informacje na temat cen obu źródeł światła,
2) zgromadzić informacje na temat parametrów znamionowych obu źródeł światła,
3) obliczyć koszty pracy obu źródeł światła w ciągu roku,
4) porównać zebrane informacje,
5) zaprezentować wyniki swojej analizy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− katalogi i prospekty porównywanych źródeł światła,
− zeszyt do ćwiczeń, długopis.
Uwaga: Czas na wykonanie ćwiczenia na zajęciach
− 20 minut.
4.4.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) scharakteryzować inwestycyjne metody oszczędzania energii?
2) scharakteryzować eksploatacyjne metody oszczędzania energii?
3) omówić metody oszczędzania energii w przypadku instalacji
oświetleniowych?
4) obliczyć zużycie energii na podstawie wskazań licznika oraz na
podstawie tabliczki znamionowej urządzenia elektrycznego?
5) dokonać analizy metody oszczędzania energii elektrycznej?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
25
4.5. Poprawa współczynnika mocy
4.5.1. Materiał nauczania
Moc bierna i energia bierna to wielkości charakterystyczne wyłącznie dla zjawisk
elektromagnetycznych zachodzących w obwodach prądu przemiennego. Zdecydowana
większość odbiorników energii elektrycznej ma charakter rezystancyjno-indukcyjny, pobiera
więc podczas pracy moc bierną indukcyjną. Największy wpływ na całkowite zapotrzebowanie
mocy biernej indukcyjnej mają silniki asynchroniczne i transformatory. Moc bierna pobierana
przez te urządzenia nie jest zamieniana na pracę użyteczną, ale zużywana jest na
magnesowanie rdzenia oraz straty rozproszenia, zależne od kwadratu prądu, wzrasta więc ze
wzrostem prądu obciążenia.
Moc bierna obciąża prądowo elementy układu energetycznego, a więc ogranicza
przepustowość urządzeń, wywołuje spadki napięcia i powoduje straty mocy czynnej. Te
ujemne skutki dla systemu elektroenergetycznego są tym większe, im mniejszy jest
współczynnik mocy cosφ.
Poprawa współczynnika mocy cosφ związana jest więc z poprawą gospodarki mocą
bierną, a właściwie z kompensacją mocy biernej indukcyjnej.
W praktyce stosuje się następujące sposoby poprawy współczynnika mocy:
a) sposoby naturalne,
b) sposoby sztuczne.
Do naturalnych sposobów poprawy cosφ zaliczamy:
− przełączanie uzwojeń silników indukcyjnych z trójkąta w gwiazdę w okresach, gdy ich
obciążenie nie przekracza 55% obciążenia znamionowego,
− skracanie czasu pracy silników i transformatorów na biegu jałowym,
− zastępowanie niedociążonych silników silnikami o mniejszej mocy znamionowej,
− stosowanie silników szybkoobrotowych zamiast wolnoobrotowych,
− stosowanie silników klatkowych zamiast pierścieniowych,
− wymiana przestarzałych silników o dużej szczelinie powietrznej na nowoczesne o małej
szczelinie,
− zastępowanie silników indukcyjnych silnikami synchronicznymi,
− staranny remont i właściwa konserwacja silników,
− wymiana transformatorów o dużym prądzie jałowym,
− staranny dobór silników i transformatorów w stosunku do obciążenia,
− niedopuszczanie do znacznego podwyższania się napięcia ponad wartość znamionową.
Wybór odpowiednich sposobów kompensacji naturalnej powinien być poprzedzony
dokładną analizą techniczno-ekonomiczną uzasadniającą celowość wyboru (na przykład
częste wyłączanie silników, niedopuszczające do pracy w stanie jałowym, wiąże się
z częstym załączaniem, a więc z poborem dużego prądu rozruchowego, co może mieć ujemne
skutki).
Do sztucznych środków poprawy cosφ zaliczamy:
− baterie kondensatorów,
− kompensatory.
Kompensacja mocy biernej indukcyjnej za pomocą kondensatorów polega na
wytwarzaniu części mocy biernej dla odbiorników w kondensatorach, zamiast pobierania jej
z generatorów (za pośrednictwem sieci). Dzięki temu zmniejsza się prąd płynący przez sieć,
zmniejszają się straty mocy i energii, maleją spadki napięcia.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
26
Rys. 13. Ilustracja rozpływu prądów, mocy czynnej P i biernej Q w prostym układzie elektroenergetycznym:
a) przed kompensacją, b) po zastosowaniu kompensacji [3]
Moc baterii kondensatorów Q
bk
dobiera się zgodnie z zależnością:
(
)
d
t
na
S
bk
tg
tg
ϕ
ϕ
−
= P
Q
[ kvar]
gdzie:
Ps – moc szczytowa w kW,
tgφ
nat –
tangens kąta odpowiadającego naturalnemu współczynnikowi mocy
(przed kompensacją),
tgφ
d –
tangens kąta odpowiadającego współczynnikowi mocy po kompensacji.
Istnieją cztery rodzaje kompensacji mocy biernej za pośrednictwem kondensatorów.
Są to:
1. Kompensacja centralna – polegająca na zainstalowaniu baterii kondensatorów w stacji
zasilającej po stronie wysokiego lub niskiego napięcia.
2. Kompensacja grupowa – polegająca na przyłączaniu poszczególnych baterii do szyn
rozdzielni niskiego napięcia w stacjach oddziałowych lub punktach zgrupowania
odbiorników pobierających energię bierną.
3. Kompensacja indywidualna – polegająca na przyłączaniu kondensatorów wprost do
zacisków odbiornika.
4. Kompensacja mieszana – polegająca na stosowaniu wszystkich sposobów rozmieszczenia
kondensatorów.
Rys. 14. Rodzaje kompensacji [3]:
1 – kompensacja centralna, 2 – kompensacja grupowa, 3 – kompensacja indywidualna
Przy kompensacji centralnej baterię kondensatorów przyłączyć można zarówno do szyn
wysokiego jak i niskiego napięcia. Lokalizacja po stronie niskiego napięcia zmniejsza straty
w transformatorze oraz zmniejsza jego obciążenie. Jeśli pozwoli to na dobór transformatora
o mniejszej mocy, to jest to lokalizacja korzystna. Jednakże koszty baterii kondensatorów
P, Q-Qc
C
P
M
,
Q
M
Qc
G
~
sieć elektroenergetyczna
I
1
< I
I
M
ΔP
1
<
ΔP
M
~
G
~
sieć elektroenergetyczna
I
I
M
ΔP
P,
Q
P
M
,
Q
M
M
~
a) b)
M
M M
M M
1
1
2
3
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
27
wysokiego napięcia mogą być mniejsze niż niskiego napięcia (przy mocy powyżej 500 kvar
instalowanie kondensatorów wysokiego napięcia jest korzystniejsze).
Podstawową wadą kompensacji centralnej jest ograniczanie przepływu mocy biernej
tylko w sieci zasilającej (nie zmniejsza obciążenia sieci zakładowej), natomiast zaletą jest
łatwość obsługi i konserwacji oraz możliwość zainstalowania urządzeń samoczynnej regulacji
mocy baterii kondensatorów.
Przy kompensacji grupowej, ze względu na większą liczbę kondensatorów i łączników,
zwiększają się koszty inwestycyjne, natomiast zmniejszają się straty w części rozdzielczej
sieci zakładowej. Ze względu na koszty zmniejsza się możliwość stosowania regulacji
automatycznej. Ten rodzaj kompensacji stosuje się w zakładach o rozległej i silnie obciążonej
sieci rozdzielczej.
Przy kompensacji indywidualnej osiąga się najlepsze wyniki, jeżeli chodzi o odciążenie
sieci zakładowej. Moc bierna jest wytwarzana bezpośrednio w miejscu jej wykorzystania.
Moc baterii do kompensacji indywidualnej silników i transformatorów jest dobierana zwykle
do mocy ich biegu jałowego. Wadami tego rodzaju kompensacji są: konieczność stosowania
dużej liczby kondensatorów o małej mocy, częste występowanie warunków
uniemożliwiających zainstalowanie kondensatora w sąsiedztwie odbiornika.
Przy kompensacji mieszanej stosuje się różne metody włączania kondensatorów, ale
sposób rozwiązania poprzedzony jest dokładną analizą wad i zalet poszczególnych rozwiązań
oraz rachunkiem ekonomicznym.
Baterie kondensatorów energetycznych służące do poprawy współczynnika mocy
w sieciach elektroenergetycznych dzielą się na niskiego i wysokiego napięcia. Podstawowym
elementem baterii kondensatorów są jednostki kondensatorowe o mocy 5
÷ 50 kvar. Są one
produkowane w wersji jednofazowej i trójfazowej.
Kompensatory to maszyny synchroniczne nie obciążone na wale i oddające do sieci moc
bierną indukcyjną.
4.5.2.
Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Jaki jest cel kompensacji mocy biernej?
2. Jakie znasz sposoby kompensacji naturalnej?
3. Jak poprawić współczynnik mocy w sposób sztuczny?
4. Jakie rozróżniamy rodzaje kompensacji ze względu na miejsce przyłączenia baterii
kondensatorów?
5. Jakie wady i jakie zalety ma kompensacja centralna?
6. Jakie wady i jakie zalety ma kompensacja indywidualna?
7. Co nazywamy baterią kondensatorów?
8. W jaki sposób można obliczyć pojemność baterii kondensatorów do kompensacji
indywidualnej?
9. W jaki sposób wyznaczyć można moc bierną pobieraną przez odbiornik jedno- lub
trójfazowy?
4.5.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Na podstawie rys. 15 dobierz moc kondensatora do kompensacji mocy biernej silnika
o napięciu U
N
= 400 V, mocy P
N
= 10 kW, jeżeli współczynnik mocy cosφ = 0,85. Oblicz
jego pojemność i rezystancję rezystorów rozładowczych.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
28
0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
kvar
kW
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odczytać moc kondensatora z załączonego wykresu,
2) obliczyć pojemność kondensatora C,
3) obliczyć wartość rezystorów rozładowczych korzystając z zależności
RC
t
U
u
−
=
e
m
, co po przekształceniach pozwala obliczyć
u
U
C
t
R
m
ln
=
gdzie: u = 50 V – wartość napięcia bezpiecznego,
t = 60 s – maksymalny czas rozładowania baterii.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Ćwiczenie 2
Ustalić moc znamionową baterii kondensatorów do kompensacji indywidualnej
transformatora o danych U
GN
/U
DN
= 6/0,4 kV, S
N
= 125 kVA, I
o%
= 6,8%.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) obliczyć moc bierną Q
0
pobieraną przez transformator w stanie jałowym według
wzoru:
N
0%
0
100
S
I
Q
=
,
2) dobrać moc baterii kondensatorów korzystając z zależności: Q
N
≤ Q
0
,
3) korzystając z katalogu dobrać moc kondensatorów do kompensacji indywidualnej
w zależności od typu transformatora,
4) porównać wyniki.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− katalogi kondensatorów,
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Rys. 15. Zależność mocy biernej kondensatorów od mocy czynnej silników indukcyjnych [1]
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
29
Ćwiczenie 3
Indukcyjny silnik przy napięciu U = 230 V pobiera prąd I = 26 A, przy cosφ = 0,7.
W celu poprawienia współczynnika mocy do wartości cosφ
1
= 1 włączono równolegle
kondensator. Oblicz pojemność i moc tego kondensatora oraz prąd pobierany z sieci.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) narysować schemat układu połączeń i wykres wektorowy,
2) obliczyć prąd płynący przez kondensator I
c
, jego pojemność C i moc Q
c
,
3) obliczyć prąd pobierany z sieci po kompensacji,
4) wyciągnąć odpowiednie wnioski.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Ćwiczenie 4
Obciążenie zakładu przemysłowego zasilanego
napięciem 400/230 V wynosi P = 100kW
przy cosφ
1
= 0,8. Ustalić moc baterii kondensatorów włączonych równolegle, aby
cosφ
2
= 0,95. Ponadto ustalić pojemność kondensatorów przy połączeniu baterii w trójkąt oraz
w gwiazdę.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) określić φ
1
i φ
2
mając dany cosφ
1
i cosφ
2
,
2) obliczyć szukaną moc baterii kondensatorów,
3) obliczyć pojemność baterii połączonej w trójkąt i w gwiazdę.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kalkulator, zeszyt, długopis.
Ćwiczenie 5
Korzystając z dostępnych Ci katalogów oraz innych źródeł, wyszukaj informacje na
temat:
a) rodzajów, budowy, danych technicznych, właściwości i cech charakterystycznych,
a także obsługi nowoczesnych zestawów kondensatorów do kompensacji mocy biernej,
b) rodzajów, budowy, danych technicznych, właściwości i cech charakterystycznych,
a także obsługi regulatorów mocy biernej.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) pracować samodzielnie wyszukując informacje na podany temat,
2) przygotować krótką prezentację,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy, mając na to czas – 10 minut.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− katalogi zestawów do kompensacji mocy biernej i prospekty regulatorów,
− stanowisko z dostępem do Internetu,
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
30
− zeszyt do ćwiczeń, długopis.
Ćwiczenie 6
Wyznacz pojemność C kondensatora do kompensacji mocy biernej zgodnie z rys. 16.
Rys. 16. Schemat układu do pomiaru pojemności
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zastosować zasady bhp i ochrony przeciwpożarowej podczas pracy,
2) sprawdzić czy obwód baterii jest rozładowany przed przystąpieniem do pomiaru,
3) połączyć układ zgodnie z przedstawionym na rys. 16 schematem,
4) zasilić układ napięciem zbliżonym do znamionowego,
5) odczytać wskazania mierników,
6) obliczyć pojemność kondensatora według wzoru:
fU
I
C
π
2
=
,
7) porównać wyniki pomiaru z danymi katalogowymi,
8) zaprezentować wyniki badań.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kondensator jednofazowy wskazany przez nauczyciela,
− amperomierz o klasie dokładności nie mniejszej niż 0,5,
− woltomierz o klasie dokładności nie mniejszej niż 0,5.
Uwaga: Czas na wykonanie zadania
− około 30 minut.
Ćwiczenie 7
Zbadaj wpływ kondensatora na wartość współczynnika mocy w układzie obciążonym
silnikiem indukcyjnym trójfazowym klatkowym.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) zapoznać się z danymi znamionowymi silnika,
2) na podstawie danych znamionowych silnika dobrać moc i pojemność układu
kondensatorów do kompensacji indywidualnej,
3) zaproponować układy pomiarowe przed i po włączeniu kondensatorów, pamiętając, że
silnik jest odbiornikiem trójfazowym symetrycznym,
4) zgromadzić aparaty i urządzenia niezbędne do wykonania zadania,
5) po akceptacji prowadzącego, połączyć układ bez kondensatorów i wykonać niezbędne
pomiary,
6) połączyć układ z zamontowanym układem kondensatorów i wykonać pomiary,
7) zastosować zasady bhp podczas pracy.
V
A
C
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
31
Wyposażenie stanowiska pracy:
− układ kondensatorów do kompensacji mocy biernej,
− silnik indukcyjny trójfazowy o mocy do 1 kW,
− watomierz, amperomierz, woltomierz.
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonać w dwóch etapach:
a) etap I to faza projektowania (może być wykonywana jako indywidualna praca
domowa lub w formie projektów w grupach),
b) etap II to faza pomiarów, wykonywana w pracowni, po akceptacji nauczyciela
prowadzącego.
Ćwiczenie 8
Kompensacja mocy biernej pobieranej przez dławik oraz odpowiedni dobór baterii
kondensatorów.
Rys. 17. Schemat układu do kompensacji mocy biernej
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) przypomnieć sobie cel i zasady kompensacji mocy biernej,
2) wyjaśnić, w jaki sposób można wyznaczyć współczynnik mocy cosφ na podstawie
pomiaru prądu, napięcia oraz mocy czynnej w układzie jednofazowym,
3) połączyć układ według schematu z rys.17 bez włączonych kondensatorów oraz mierników
A
2
, A
3
, W
2
,
4) wykonać niezbędne pomiary umożliwiające wyznaczenie cosφ, a także obliczenie mocy
biernej pobieranej przez dławik przed kompensacją,
5) włączać kolejno kondensatory, wykonywać pomiary zgodnie ze schematem z rys.17,
wyniki zapisać w tabeli:
C U
P
1
P
2
I
1
I
2
I
3
cosφ
µF V
W
1
W
2
A
1
A
2
A
3
–
przed kompensacją
– – –
6) wykonać obliczenia i zaprezentować wyniki swojej pracy, dokonując analizy wskazań
mierników podczas wszystkich pomiarów,
7) zachować zasady bhp podczas pracy.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− kondensatory wskazane przez nauczyciela w zależności od parametrów dławika,
− dławik,
− woltomierz,
− dwa watomierze,
− autotransformator.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
32
Uwaga: Ćwiczenie należy wykonywać w zespołach dwuosobowych, mając 120 minut na
całkowite wykonanie zadania.
4.5.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) wyjaśnić cel kompensacji mocy biernej?
2) omówić naturalne sposoby poprawy cosφ?
3) obliczyć pojemność kondensatora do kompensacji mocy biernej?
4) dobrać metodę kompensacji mocy biernej w celu poprawy cosφ?
5) podać wady i zalety kompensacji centralnej?
6) podać wady i zalety kompensacji indywidualnej?
7) dokonać pomiaru mocy biernej w układzie jednofazowym?
8) dokonać pomiaru mocy biernej w układzie trójfazowym?
9) zbadać układ do kompensacji mocy biernej?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
33
4.6. Dystrybucja energii elektrycznej
4.6.1. Materiał nauczania
Dystrybucja jest to świadczenie usług związanych z dostarczaniem energii elektrycznej.
Jej zadaniem jest transport energii elektrycznej systemami wysokiego, średniego i niskiego
napięcia w celu dostarczenia jej do odbiorców.
Należy pamiętać, że wartości napięć stosowanych w elektroenergetyce są
znormalizowane. Wyróżniamy następujące poziomy napięć znamionowych prądu
przemiennego o częstotliwości 50 Hz:
a) do 1 kV jednofazowe: 6, 12, 24, 48, 60, 110, 230, 400 V,
b) do 1 kV trójfazowe: 230/400 V, 400/690 V, 1000 V,
c) powyżej 1 kV: 3, 6, 10, 15, 20, 30, 110, 220, 400, 750, 1000 kV.
Sieci najwyższych napięć (NN), wysokich napięć (WN), średnich napięć (SN) i niskich
napięć (nn) są ze sobą wzajemnie powiązane i razem z elektrowniami oraz stacjami
elektroenergetycznymi tworzą system elektroenergetyczny (SEE).
Sieć dystrybucyjna jest podzbiorem SEE. Jest to zespół tysięcy kilometrów linii
napowietrznych i kablowych oraz stacji elektroenergetycznych, połączonych w układy,
zapewniających przesył i transformację energii elektrycznej zużywanej przez odbiorców
finalnych (przemysł, odbiorcy indywidualni). Są to sieci 110 kV, średnich napięć (30 kV, 15
kV) i niskich napięć (1 kV).
Operator systemu dystrybucyjnego (podsektora polskiej elektroenergetyki obok
podsektora przesyłu i wytwarzania) jest odpowiedzialny za: zapewnienie bezpieczeństwa
funkcjonowania systemu przez prawidłowe zarządzanie siecią, prowadzenie ruchu sieciowego
w systemie dystrybucyjnym, zapewnienie utrzymania sieci rozdzielczej w sposób
zapewniający niezawodność dostawy energii (konserwacja i rozbudowa), współpracę
z innymi operatorami lub przedsiębiorstwami energetycznymi, mającą na celu zapewnienie
spójności połączonych sieci, utrzymanie określonych parametrów energii.
4.6.2. Pytania sprawdzające
Odpowiadając na pytania, sprawdzisz, czy jesteś przygotowany do wykonania ćwiczeń.
1. Co to jest system elektroenergetyczny?
2. Co to jest sieć elektroenergetyczna?
3. Co nazywamy elektroenergetyczną linią napowietrzną, a co kablową?
4. Jak rozumiemy napięcie znamionowe linii?
5. Jaki istnieje podział linii pod wzglądem funkcji, jaką spełniają?
6. Jakie sieci elektroenergetyczne zaliczamy do sieci dystrybucyjnych?
7. Co to jest Zakład Energetyczny i jaki ma zakres obowiązków?
8. Jaki jest zakres obowiązków operatora systemu dystrybucyjnego?
4.6.3. Ćwiczenia
Ćwiczenie 1
Posługując się przepisami Ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. „Prawo Energetyczne”,
wyszukaj informacje na temat: „Zakres obowiązków przedsiębiorstw energetycznych
zajmujących się dystrybucją energii elektrycznej”.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
34
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać w Internecie treść właściwej ustawy i jej ewentualne aktualizacje,
2) wybrać informacje związane z treścią ćwiczenia,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy, mając 10 minut na prezentację.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− stanowisko z dostępem do Internetu,
− Ustawa z dnia 10 kwietnia 1997 r. „Prawo Energetyczne”.
Ćwiczenie 2
Wyszukując informacje w różnych źródłach, przygotuj prezentację na temat zakresu
działalności dowolnego Zakładu Energetycznego z terenu Polski.
Sposób wykonania ćwiczenia
Aby wykonać ćwiczenie, powinieneś:
1) odszukać adres internetowy dowolnego Zakładu Energetycznego,
2) wypisać informacje na temat:
a) podstawowych kierunków działalności firmy,
b) terenu objętego działalnością,
c) struktury sieci rozdzielczej, w tym:
− długości linii napowietrznych i kablowych,
− ilości stacji, ich mocy i sposobów zasilania,
− ilości przyłączy,
3) zaprezentować wyniki swojej pracy, mając 30 minut na przygotowanie oraz 10 minut na
prezentację.
Wyposażenie stanowiska pracy:
− stanowisko z dostępem do Internetu,
− zeszyt do ćwiczeń, długopis.
Uwaga: W celu pełnego scharakteryzowania zagadnień związanych z dystrybucją energii
elektrycznej w Polsce, nauczyciel może wskazać uczniom do analizy konkretne
Zakłady Energetyczne.
4.6.4. Sprawdzian postępów
Czy potrafisz:
Tak
Nie
1) podać definicję sieci elektroenergetycznej?
2) sklasyfikować elektroenergetyczne linie napowietrzne i kablowe?
3) odróżnić sieć dystrybucyjną od sieci przesyłowej?
4) wymienić sposoby zwiększające pewność dostawy energii elektrycznej
odbiorcom?
5) wskazać zakres obowiązków operatora systemu dystrybucyjnego?
6) scharakteryzować sposoby dystrybucji energii elektrycznej?
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
35
5. SPRAWDZIAN OSIĄGNIĘĆ
INSTRUKCJA DLA UCZNIA
1. Przeczytaj uważnie instrukcję – masz na tę czynność 5 minut.
2. Podpisz imieniem i nazwiskiem kartę odpowiedzi.
3. Zapoznaj się z zestawem zadań testowych.
4. Test składa się z 20 zadań dotyczących prowadzenia racjonalnej gospodarki
energetycznej.
5. Na rozwiązanie wszystkich zadań masz 40 minut.
6. Odpowiedzi udzielaj wyłącznie na załączonej karcie odpowiedzi.
7. Wszystkie zadania to zadania wielokrotnego wyboru. Zawierają cztery możliwe
odpowiedzi, z których tylko jedna jest poprawna. Zaznacz poprawną odpowiedź,
zaczerniając właściwe pole w karcie odpowiedzi. Jeśli się pomyliłeś, to otocz błędną
odpowiedź kółkiem i zaznacz nową odpowiedź.
8. W niektórych zadaniach, udzielenie prawidłowej odpowiedzi wymaga wykonania
pomocniczych obliczeń (możesz wykorzystać kalkulator).
9. Pamiętaj, że pracujesz samodzielnie.
10. Możesz uzyskać maksymalnie 20 punktów.
11. Po zakończeniu testu podnieś rękę i zaczekaj, aż nauczyciel odbierze od Ciebie pracę.
Powodzenia!
ZESTAW ZADAŃ TESTOWYCH
1. Jakość dostarczanej energii elektrycznej określa:
a) sposób wytwarzania pola magnetycznego,
b) częstotliwość,
c) sposób wykonania ochrony przeciwporażeniowej,
d) rezystancja odbiornika.
2. Spadek napięcia w odróżnieniu od straty napięcia jest różnicą:
a) algebraiczną między napięciem na początku i na końcu toru przesyłowego,
b) geometryczną między napięciem na początku i na końcu toru przesyłowego,
c) geometryczną między napięciem na końcu i na początku toru przesyłowego,
d) algebraiczną między napięciem na końcu i na początku toru przesyłowego.
3. Do metod regulacji napięcia stosowanych w praktyce zaliczamy:
a) regulację przez zmianę liczby odbiorników,
b) regulację przez zmianę konfiguracji sieci,
c) regulację przez zmianę częstotliwości napięcia zasilającego,
d) regulacje przez zmianę rozpływu mocy czynnej.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
36
4. Kompensatory mogą być stosowane do:
a) zmniejszania spadków napięć,
b) zwiększania spadków napięć,
c) zmniejszania mocy czynnej,
d) zmniejszania i zwiększania spadków napięć.
5. Zmniejszenie strat mocy w układach przesyłowych osiągnąć można przez:
a) zmniejszenie napięcia, którym przesyłana jest energia,
b) zmniejszenie przekroju przewodów wiodących prąd,
c) zwiększenie liczby odbiorników przyłączonych do sieci,
d) podwyższenie napięcia przy którym przesyłana jest energia.
6. Do czynników wpływających na zwiększone zużycie energii elektrycznej zaliczamy:
a) wysoki stopień automatyzacji,
b) stosowanie racjonalnych schematów układów sieciowych,
c) utrzymanie napięcia zaliczającego na wysokim poziomie,
d) niedociążenie transformatorów i silników.
7. Do naturalnych sposobów kompensacji mocy biernej zaliczamy:
a) zamianę silników synchronicznych na indukcyjne,
b) przełączanie niedociążonych silników asynchronicznych z gwiazdy w trójkąt,
c) przełączanie niedociążonych silników asynchronicznych z trójkąta w gwiazdę,
d) zwiększenie czasu pracy w stanie jałowym.
8. Zaletą kompensacji centralnej w porównaniu z kompensacją indywidualną jest:
a) możliwość zastosowania dużej liczby kondensatorów,
b) ograniczenie przepływu mocy tylko w sieci zasilającej,
c) możliwość zainstalowania baterii w pobliżu odbiornika,
d) możliwość zainstalowania baterii w pomieszczeniach ruchu elektrycznego.
9. Zadaniem regulatora współczynnika mocy jest:
a) pomiar cosφ obciążenia określonej linii, załączanie i wyłączanie cewki styczników,
które załączają i wyłączają odpowiednie człony baterii,
b) pomiar natężenia prądu określonej linii, załączanie i wyłączanie cewki styczników,
które załączają i wyłączają odpowiednie człony baterii,
c) pomiar wartości napięcia w określonej linii, załączanie i wyłączanie cewki styczników,
które załączają i wyłączają odpowiednie człony baterii,
d) pomiar mocy czynnej określonej linii, załączanie i wyłączanie cewki styczników, które
załączają i wyłączają odpowiednie człony baterii.
10. Jeżeli w pewnym obwodzie straty mocy czynnej
P
Δ są stałe i wynoszą 500 W, to straty
energii czynnej w ciągu 8 godzin wynoszą:
a) 40 kWh,
b) 4 kWh,
c) 400 kWh,
d) 4000 kWh.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
37
11. Obciążeniowe straty mocy czynnej w układzie symetrycznym trójfazowym obliczyć
można ze wzoru:
a)
R
U
Q
P
P
2
2
2
Δ
+
=
,
b)
X
U
Q
P
P
2
2
2
Δ
+
=
,
c)
X
Q
P
U
P
2
2
2
Δ
+
=
,
d)
R
Q
P
U
P
2
2
2
Δ
+
=
.
12. Straty mocy czynnej w obwodzie jednofazowym o
U
N
= 230 V,
I = 12A, rezystancji
przewodu
R = 0,2 Ω i cosφ = 1
a) 57,6 W,
b) 576 W,
c) 5,76 W,
d) 0,57 W.
13. Pojemność baterii kondensatorów można obliczyć ze wzoru:
a)
C = Q
C
:
(
ωU
2
),
b)
C = Q
C
· (
ωU
2
),
c)
C = (ωU
2
):
Q
C
,
d)
C = (ωU
2
) ·
Q
C
.
14. Parametry pewnego odcinka linii wynoszą
U = 15 kV, R
L
= 1,23 Ω,
X
L
= 1,2 Ω,
P
obc
= 2,4 W,
Q
obc
= 1,29 var,. Spadek napięcia przy obciążeniu szczytowym wynosi:
a) 30 V,
b) 0,3 kV,
c) 3 kV,
d) 3 V.
15. Jeżeli napięcie znamionowe linii wynosi 15 kV, a spadek napięcia wynosi 0,25 kV to
procentowy spadek napięcia wynosi:
a) 25%,
b) 0,6%,
c) 1,77%,
d) 10%.
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
38
16. W układzie jak na rysunku, do zacisków silnika włączono kondensator o pojemności
C.
W efekcie takiego połączenia:
a) wzrosła moc silnika i wzrosła jego prędkości obrotowej.
b) wzrosła moc silnika i zmniejszyła się jego prędkości obrotowej.
c) wzrosła prędkości obrotowej silnika bez zmiany jego mocy.
d) moc silnika i jego prędkość obrotowa nie zmieniły się.
17. Jeżeli silnik o mocy 6,4 kW i sprawności 64% zastąpimy innym o takiej samej mocy, ale
o sprawności 80% to po 10 godzinach pracy zaoszczędzimy:
a) 2 kWh energii,
b) 20 kWh energii,
c) 2000 kWh energii,
d) 2000 kWh energii
18. W celu zwiększenia wartości napięcia po stronie wtórnej transformatora, przy
niezmienionym napięciu zasilającym należy:
a) zwiększyć liczbę zwojów pierwotnych,
b) zmniejszyć liczbę zwojów pierwotnych,
c) zmniejszyć liczbę zwojów wtórnych,
d) zwiększyć rozmiary rdzenia.
19. Przyczyną odkształcenia napięcia sieciowego jest włączenie do tej sieci:
a) odbiorników zasilanych za pośrednictwem przekształtników tyrystorowych,
b) odbiorników zasilanych za pośrednictwem transformatorów jednofazowych,
c) silników indukcyjnych trójfazowych,
d) rezystancyjnych urządzeń grzejnych,
20. Kompensacja indywidualna zaznaczona jest na rysunku w punkcie:
a) A,
b) B,
c) C,
d) D.
~
M
M
M M
M M
A
B
C
D
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
39
KARTA ODPOWIEDZI
Imię i nazwisko ……………………………………………………………………………
Prowadzenie racjonalnej gospodarki energetycznej
Zaznacz poprawną odpowiedź
Nr
zadania
Odpowiedź Punkty
1 a b c d
2 a b c d
3 a b c d
4 a b c d
5 a b c d
6 a b c d
7 a b c d
8 a b c d
9 a b c d
10 a b
c
d
11 a b
c
d
12 a b
c
d
13 a b
c
d
14 a b
c
d
15 a b
c
d
16 a b
c
d
17 a b
c
d
18 a b
c
d
19 a b
c
d
20 a b
c
d
Razem
„
Projekt współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Społecznego”
40
6.
LITERATURA
1. Grad J.: Aparaty i urządzenia elektryczne. Ćwiczenia. WSiP, Warszawa 1996
2. Informacje o Normach i Przepisach Elektrycznych. Biuletyn SEP, Nr 50/2003
3. Kałuża E., Bartodziej G.: Aparaty i urządzenia elektryczne. WSiP, Warszawa 1980
4. Kotlarski W.: Sieci elektroenergetyczne. WSiP, Warszawa 2002
5. Kupras K., Ślirz W.: Pomiary w elektroenergetyce do 1 kV w roku 2000. KS KRAK,
Kraków 2000
6. Musiał E.: Instalacje i urządzenia elektroenergetyczne. WSiP, Warszawa 1999
7. Muszyńska E.: Pakiet Edukacyjny „Regulacja napięcia w sieciach elektroenergetycznych”.
ŁCDNiKP, Łódź 2003