Wykład

JAKO

ENERGII

dla studentów kierunku

TECHNOLOGIE ENERGETYKI ODNAWIALNEJ

dr in . Rafał Korupczy ski

Przepi cia przej ciowe (krótkotrwałe)

ródła:

Procesy ł czeniowe bateri kondensatorów

Wyładowania atmosferyczne

Procesy ł czeniowe niektórych urz dze energoelektronicznych

Kondensatory s szeroko stosowane do kompensacji mocy biernej

Cz sto s sterowane zegarem i zał czane o tej samej porze dnia

Zał czenie kondensatorów ma miejsce prawie dla U :

m

Przy schodzeniu si styków ł cznika przerwa izolacyjna (powietrze) zostaje przebite (wyładowanie łukowe) przy maksimum napi cia

Zgodnie z zasad zachowania energi ładunek w kondensatorze nie mo e zmieni si skokowo Napi cie sieci w miejscu doł czenia kondensatora spada do 0 V

... nast pnie narasta w czasie – kondensator si ładuje

Z uwagi na wyst powanie indukcyjno ci w sieci:

Linie

Transformatory

Silniki

Powstaje obwód rezonansowy RLC

Rezystancja jest bardzo mała (minimalizacja strat)

Powstaj oscylacje tłumione

Przepi cia mog osi ga warto do 2 * Um

Typowo 1,3 – 1,4 Um

Taki stan mo e by zinterpretowany przez sterowniki urz dze energoelektronicznych jako stan awaryjny Sterownik wył czy urz dzenie

Je eli za transformatorem, u ko cowego u ytkownika, znajduje si druga bateria kondensatorów, to przepi cia mog si ga 3 – 4 Um

Przepi cie rz du 930 – 1240 V mo e spowodowa uszkodzenie urz dze energoelektronicznych Typowa dioda prostownicza falownika wytrzymuje napi cie 1200 V

Tranzystor 600 V, 1200 V

Ochronnik przepi ciowy (warystor) zmniejsza napi cie do ok.

1,8 U

m

Dla czułych na przepi cia urz dze mo e to by niewystarczaj ce

Nale y zastosowa kilka ochronników od zasilania do miejsca podł czenia urz dzenia Problem rozwi zuj filtry harmonicznych zainstalowane wraz z bateri kondensatorów u ytkownika energi Indukcyjno filtru zmniejsza warto przepi cia

Powa nym ródłem przepi w sieci s wyładowania atmosferyczne

Wysoka warto napi cia mo e powodowa rozległe awarie urz dze

Impedancja uziemienia nie jest nigdy równa zeru, zatem przepływ pr du krótkotrwałego pr du piorunowego przez elementy przewodz ce powoduje powstawanie napi o znacznej warto ci (kilka kV): Bezpo rednie trafienie pioruna w linie napowietrzn powoduje przeskoki napi cia do konstrukcji słupa i pomi dzy przewodami fazowymi

Przepi cie piorunowe mo e rozchodzi si po lini na znaczne odległo ci Trafienie pioruna w obiekt nieb d cy elementem wiod cym pr d mo e spowodowa zaindukowanie przepi cia w sieci

Szybkozmienne przebiegi napi cia przedostaj si do sieci odbiorcy energi na skutek istnienia pojemno ci (pF) mi dzy uzwojeniami transformatora SN/nn

Uzwojenia górne i dolne stanowi dwie okładki kondensatora, a izolacja pomi dzy uzwojeniami – dielektryk Po stronie uzwojenia dolnego (i górnego) nale y zastosowa ochronniki przepi ciowe

Ferrorezonans

Indukcyjno nieliniowa z rdzeniem elaznym

Uzwojenie transformatora na rdzeniu

Dławik stosowany w sieci do ograniczenia warto ci pr du zwarcia

Pojemno ci sieci (130 – 400 [nF / km] linia kablowa)

Wystarczy:

30 m lini kablowej SN i poł czenie uzwojenia górnego w trójk t

Zał czenie jednej fazy nieobci onego transformatora zasilanego lini kablow Zał czenie dwóch faz nieobci onego transformatora zasilanego lini kablow Przepalenie si bezpieczników jednej albo dwóch fazach nieobci onego transformatora Efekty uboczne ferrorezonansu:

Brz czenie uzwojenia – magnetostrykcja

Zmiana wymiarów rdzenia Fe w takt zmian pr du

Nadmierne nagrzewanie si rdzenia (nasycenie magnetyczne)

Uszkodzenie ochronników przepi ciowych

Migotanie wiatła w wyniku szerokich zmian warto ci napi cia

Przepi cie w wyniku ładowania pojemno ci lini

… oraz pr du rozruchowego transformatora i obci e

T = ½ * T50/60Hz

Impuls (pojemno )

Zniekształcenie napi cia (pr d rozruchu)

Typowe zwarcie jednofazowe z ziemi mo e powodowa szybkozanikaj ce przepi cia rz du 115 do 150%

U .

N Decyduje składnik L di/dt

Zasady ochrony przepi ciowej:

Ograniczenie napi cia do bezpiecznego poziomu

Poprowadzenie pr du zakłóceniowego z dala od odbiorników

Poł czenie mas na urz dzeniu

Zlikwidowanie lub zredukowanie pr du płyn cego pomi dzy obwodami mas Zastosowanie filtru dolnoprzepustowego

Ochronniki przepi ciowe:

Utrzymuj warto napi cia w obwodzie

Nieliniowa charakterystyka U = f(I)

Nie pochłaniaj energi przepi cia

Nie odprowadzaj jej do ziemi

Je li nie zapewniono niskiej rezystancji uziemienia

Pr dy płyn ce w wyniku przepi cia powoduj spadki napi na elementach przewodz cych Powinny by zlokalizowane blisko urz dze które maj chroni

Najlepiej na zaciskach zasilania urz dzenia

Czyli wewn trz urz dzenia

Mo na spowodowa , e ochronnik przepi ciowy odprowadzi do ziemi pr d zakłóceniowy Je li rezystancja uziemienia jest wystarczaj co niska

Podczas zakłócenia poziom napi cia lokalnej masy mo e wzrosn o kilka kV

Równie wzgl dem innych mas lub punktów neutralnych

Ochronniki:

Odcinaj ce

Ograniczaj ce

Ochronniki odcinaj ce (iskierniki)

po przekroczeniu pewnej warto ci napi cia nast puje gwałtowny spadek oporu wewn trznego i szybkie przej cie ze stanu nieprzewodzenia do stanu przewodzenia

Zaciski pozostaj zwarte, dopóki pr d nie spadnie do warto ci minimalnej Zalety i wady:

prosta i tania budowa

du a niezawodno

zdolno przewodzenia du ych pr dów awaryjnych

brak przepływu pr du podczas normalnej pracy

silny wpływ czynników rodowiskowych (nie dotyczy o. o. hermetycznych) dosy du a warto napi cia zadziałania i du a tolerancja warto ci napi cia zadziałania wyst powanie tzw. pr du nast pczego

Warto napi cia zapłonu wzrasta ze skróceniem czasu narastania pr du Napi cie zapłonu powy ej ok. 60 V

Ochronniki ograniczaj ce (warystory)

Nieliniowa charakterystyka

Zalety i wady:

brak pr du nast pczego

precyzyjna nastawa napi cia

zapłonu

stosunkowo niedu a warto

napi cia zapłonu

brak opó nienia zapłonu

ochronnika

mniejsza ni przy iskierniku

zdolno odprowadzania

pr du piorunowego

przepływ pr du podczas

normalnej pracy

znaczna pojemno wewn trzna

nie nadaje si dla w. cz.

Dioda zabezpieczaj ca

dla obwodów sygnałowych

wykorzystuje efekt Zenera lub efekt lawinowy

krótki czas zadziałania: 10-12 s

dla napi stałych i przemiennych

mała rezystancja w stanie przewodzenia

nie nadaje si dla w. cz.

rodkiem ochrony przepi ciowej jest równie wł czenie szeregowo z odbiornikiem dławika Szybkonarastaj ce pr dy zakłóceniowe wywołaj na nim spadek napi cia: Izolacja dławika musi by odporna na wysokie napi cie wi ksze od spodziewanego przepi cia rodki ochrony przepi ciowej w elektroenergetyce zawodowej:

Instalacja odgromowa (linie NN, WN, stacje trafo)

Ochronniki przepi ciowe (linie kablowe, transformatory)

Ochronniki przepi ciowe (linie napowietrzne)

Zapobieganie ferrorezonansowi:

Wył czanie transformatora pod obci eniem

Minimalizowanie długo ci lini kablowych zasilaj cych transformator Tłumienie przepi ochronnikami

Wykonywanie ł cze w odpowiedniej kolejno ci

Zniekształcenia kształtu przebiegu rosn im bli ej ko cowego odbiorcy Przyczyniaj si do tego faktu urz dzenia energoelektroniczne

Zniekształcenia stanowi najwi kszy problem odno nie jako ci energi Harmoniczne nie stanowi problemu dla dobrze zbilansowanego systemu energetycznego Mog zakłóca przesył danych i urz dzenia automatyki zabezpieczeniowej W sieci dystrybucyjnej i u ko cowego odbiorcy mog powodowa rezonanse Harmoniczne pojawiaj si na skutek nieliniowej zale no ci pr du od napi cia na odbiorniku Problemy powodowane przez harmoniczne:

Niemo no prawidłowego zidentyfikowania miejsc zerowych przebiegu napi cia i bł dne sterowanie zaworów w układach energoelektronicznych

Pr dy harmoniczne powoduj nadmierne nagrzewanie elementów systemu (np. transformator) Urz dzenie musi pracowa poni ej mocy znamionowej

Napi cia harmoniczne powoduj powstawania pr dów harmonicznych, wywołuj ce przeci enie cz ci systemu

Za dostarczenie pr dów harmonicznych odpowiada odbiorca energi (nieliniowe odbiorniki) Za harmoniczne napi cia odpowiada energetyka zawodowa

Przy wyst powaniu zniekształce harmonicznych, zało enia i zale no ci odno nie pracy systemu e.e. nie s zachowane

Dla przebiegów niezniekształconych:

Dla przebiegów zniekształconych (C. Budeanu, 1927 r.):

Moc odkształcenia (deformacji)

Iloczyny pr dów i napi o ró nych cz stotliwo ciach:

Moc dystorsji:

Moc pozorna:

Czworo cian mocy:

Współczynnik mocy:

Współczynnik obci enia

Współczynnik deformacji:

Utrudniona kompensacja mocy biernej:

Q = 0 (minimalizacja mocy biernej)

K = 0 (minimalizacja mocy deformacji)

Pojemno kompensacyjna:

Bateria kondensatorów poł czona w trójk t:

Zało enie: moc bierna taka sama dla ka dej harmonicznej n:

Pojemno bateri powinna male ze wzrostem n:

W rzeczywisto ci

Pojemno jest niezmienna dla ka dej harmonicznej:

Nie ma technicznej mo liwo ci zrealizowania kondensatora o pojemno ci zale nej od cz stotliwo ci pr du (napi cia)

Mo na tylko skompensowa całkowicie 1 harmoniczn (50 Hz)

i pogodzi si z wi kszymi stratami przesyłu energi elektrycznej Harmoniczne tworz ró ne układy wektorów wiruj cych:

n =1 ,7, 13 ... - składowa zgodna

n = 5, 11, 17 … - składowa przeciwna

n = 3, 9, 15 … - składowa zerowa

W układzie symetrycznym skojarzonym w gwiazd w przewodzie neutralnym płynie pr d stanowi cy sum 3

pr dów 3, 9 … harmonicznej

Nieparzyste harmoniczne rz du 3*n kr

wewn trz układu symetrycznego skojarzonego w trójk t

Współczynnik całkowitych zniekształce harmonicznych:

Y – wielko o podstawowej cz stotliwo ci

1

Y – wielko o cz stotliwo ci harmonicznej

n

Warto skuteczna wielko ci Y:

Obie wielko ci dobrze charakteryzuj efekt cieplny (nagrzewanie) Z punktu widzenia izolacji najwa niejsza jest amplituda napi cia

ródła harmonicznych

Zasilacze impulsowe jednofazowe:

Komputery, rtv...

Zasilacz impulsowy jednofazowy (trzecia harmoniczna)

Lampy fluorescencyjne

Trójfazowe nap dy elektryczne z falownikiem

(brak 3 harmonicznej)

Falownik z PWM (wi ksze zniekształcenia harmoniczne)

Zawarto harmonicznych zale na od pr dko ci obrotowej silnika

Nap d z silnikiem pr du stałego

Piec łukowy

Podobnie jak lampy wyładowcze ale pr dy do 60 kA, moce

~100 MVA

Im wi kszy pr d tym ni sza impedancja łuku

Piec indukcyjny

Losowy charakter zmienno ci pr du

ródło harmonicznych i interharmonicznych

Piec indukcyjny

Transformatory, silniki elektryczne pr du zmiennego

Nieliniowa charakterystyka magnesowania (histereza)

THD = 1%

ródło harmonicznych w energetyce zawodowej

System elektroenergetyczny mo e by uwa any jako zbiór: Elementów:

R

LC

ródeł:

Napi cia

Pr du

Harmoniczne o konkretnej cz stotliwo ci mog powodowa powstawanie rezonansów: Napi

Przepi cia

Zagro enie dla izolacji urz dze

Pr dów

Przet enia

Przegrzewanie urz dze

Zadziałanie zabezpiecze nadpr dowych (wył czenie)

Je li R/X = 0,1 to rezonanse s tłumione w wystarczaj cym stopniu Bateria kondensatorów nie jest doł czona bezpo rednio przy transformatorze Wpływ harmonicznych na prac :

Kondensatorów

Pr d wzrasta powy ej warto ci znamionowej

Bateria musi by przewymiarowana

Transformatorów

Zwi kszone straty obci eniowe i w rdzeniu na pr dy wirowe

Przegrzewanie si

Strumienie magnetyczne harmonicznych składowej zerowej mog powodowa indukowanie si pr du w kadzi i nagrzewanie kadzi i oleju lub innych elementów przewodz cych Silniki elektryczne:

Strumienie magnetyczne od harmonicznych indukuj w wirniku pr dy o cz stotliwo ci wi kszej ni podstawowa

Powoduje to straty cieplne, wibracje, hałas

Problemy wyst puj powy ej 8% THD

Urz dzenia telekomunikacyjne:

Nieparzyste harmoniczne 3*n indukuj napi cia w przewodzie neutralnym / ochronnym poł czonym z mas

j. w. ale w przewodach telekomunikacyjnych uło onych na wspólnych słupach z elektroenergetyk Liczniki energi elektrycznej (z wiruj c tarcz )

Zawy anie wskaza

Przyczyny powstawania harmonicznych:

ródło emituj ce harmoniczne o zbyt du ej amplitudzie

Zbyt długa droga przepływu pr du harmonicznego (zakłócenia indukowane) Rezonanse wzmacniaj jedn lub kilka harmonicznych

Sposoby przeciwdziałania:

Zredukowanie pr dów pobieranych przez odbiornik nieliniowy

Filtrowanie lub blokowanie przepływu pr dów harmonicznych,

lokalne wytworzenie pr dów harmonicznych

Eliminacja rezonansów poprzez zastosowanie filtrów, indukcyjno ci lub pojemno ci („przestrojenie obwodów”)

Redukcja pr du odbiornika nieliniowego:

Praca na liniowej cz ci charakterystyki (brak nasycenia)

Wymiana na urz dzenie odpowiednio przewymiarowane

Doł czenie do falownika szeregowego dławika

Odpowiednie kojarzenie uzwoje transformatorów zasilaj cych:

Trójk t

Zygzak

Eliminacja harmonicznych składowej zerowej 3*n

Wymiana urz dze na nowe, o ni szej emisji harmonicznych

Eliminacja rezonansów w systemie elektroenergetycznym:

Zastosowanie filtra szeregowego

Zmiana cz stotliwo ci rezonansowej:

Dławik szeregowy przed bateri kondensatorów

Zmiana pojemno ci bateri

Przeniesienie bateri kondensatorów w inne miejsce w obwodzie

Zmiana stosunku R/X

Usuni cie bateri kondensatorów

wi ksze straty przesyłowe - niski cos

Urz dzenia do eliminacji harmonicznych:

Dławik szeregowy

Jedno uzwojenie na rdzeniu ferromagnetycznym

Przeciwdziała szybkim zmianom pr du

Wymusza przepływ pr du w dłu szym czasie

Redukcja harmonicznych o połow

Eliminuje szybkie stany przej ciowe (przepi cia, komutacje)

Filtry:

Szeregowo w stosunku do odbiorników

Du a impedancja dla pr dów o okre lonych cz stotliwo ciach

Blokuj ich przepływ

Równolegle do odbiorników

Mała impedancja dla pr dów o okre lonych cz stotliwo ciach

Zwieraj je do ziemi (masy)

Filtr równoległy LC

Szeregowe poł czenie L i C

Brak rezystancji R 0

Brak strat

Doł czony równolegle do obwodu

Zwiera pr d o cz stotliwo ci f do masy (ziemi)

0

Pr d ten popłynie poprzez filtr, a nie odbiorniki

Pierwsza i trzecia harmoniczna

Usuwamy 3 harmoniczn :

Decybele

Logarytmiczna miara ilorazu napi , pr dów, mocy

Filtr równoległy LC nastrojony na f = 150 Hz (n=3)

0

Filtr szeregowy LC, f =150 Hz

0

Filtry równoległe

Pr d pierwszej harmonicznej nie płynie przez filtr

Małe straty

Filtry równoległe

Pr dy wszystkich harmonicznych płyn przez filtr

Przenosi cały pr d obci enia

Wi ksze straty

Głównie do obwodów jednofazowych

Dla ka dej harmonicznej oddzielny filtr

Du y koszt urz dze

Filtr dolnoprzepustowy

Tłumi harmoniczne i interharmoniczne powy ej pewnej cz stotliwo ci Filtr dolnoprzepustowy LC

Aktywny filtr energetyczny

Synteza zniekształconego

przebiegu pr du przy

odbiorniku

Odci enie sieci od poboru

pr du zniekształconego

Brak dodatkowych

rezonansów

Całkowicie konfigurowalny

Du y koszt