SYMETRYZACJA OBWODÓW SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA

SYMETRYZACJA

OBWODÓW SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA

Tel.: (012) 617 32 47 Fax.: (012) 634 57 21

e-mail: wszpyra@agh.edu.pl

Konferencja Naukowo-Techniczna

OPTYMALIZACJA W ELEKTROENERGETYCE OPTYMALIZACJA W ELEKTROENERGETYCE

Jachranka, 11 - 13 października 2003 roku Jachranka, 11 - 13 października 2003 roku

Waldemar Szpyra Waldemar Szpyra

Katedra Elektroenergetyki AGH

Tadeusz Mejer Tadeusz Mejer

Zakład Energetyczny Kraków SA

Tel. dom.: (012) 637 37 81

(referat znajduje się na str. 85 – 94 mat. konf. )

Przyczyny asymetrii Przyczyny asymetrii

 asymetrię wewnętrzną – tj. asymetrię elementów sieci wynikającą z różnic asymetrię wewnętrzną impedancji własnych i wzajemnych poszczególnych faz;

 asymetrię zewnętrzną – tj. asymetrię wynikającą z asymetrii napięć w asymetrię zewnętrzną

punktach zasilających sieć oraz asymetrię spowodowaną zasilaniem odbiorów trójfazowych o różnych mocach w każdej fazie (asymetria miejscowa), lub asymetria miejscowa przyłączeniem do różnych punktów sieci odbiorów jednofazowych (asymetria asymetria przestrzenna

przestrzenna).

Obliczenia sieci elektroenergetycznych wykonywane są najczęściej przy Obliczenia sieci elektroenergetycznych wykonywane są najczęściej przy

założeniu symetrii parametrów sieci oraz napięć zasilających sieć założeniu symetrii parametrów sieci oraz napięć zasilających sieć i prądów odbiorów. Założenie to bardzo ułatwia wykonanie obliczeń, i prądów odbiorów. Założenie to bardzo ułatwia wykonanie obliczeń,

ale w praktyce jest w wielu przypadkach nieprawdziwe.

ale w praktyce jest w wielu przypadkach nieprawdziwe.

W ustalonych stanach pracy sieci można wyróżnić dwa rodzaje asymetrii:

W ustalonych stanach pracy sieci można wyróżnić dwa rodzaje asymetrii:

W liniach niskiego napięcia wystepuje zewnętrzna asymetria przestrzenna, której przyczyną są przyłączone w różnych punktach linii odbiorniki jedno- fazowe rozłożone nierównomiernie na poszczególne fazy (często są to odbiory o mocy od jednego do kilku kW takie jak żelazka, pralki automatyczne, kuchnie, przepływowe podgrzewacze wody itp.) oraz niesymetryczne obciążenie poszczególnych faz u odbiorców z przyłączami trójfazowymi.

Miara asymetrii Miara asymetrii

 kolejności przeciwnej:

Miarą asymetrii są tzw współczynniki niezrównoważenia składowych symetrycznych, napięć i prądów:

 kolejności zerowej:

% 100

1 2 2

U

n

 U 100 %

1 2 2

I n

 I

% 100

1 0 0

U

n

 U 100 %

1 0 0

I n

 I

Korzystanie ze współczynników niezrównoważenia napięć i prądów jest niewygodne (wymaga stosowania specjalnych przyrządów do pomiaru jakości energii). J. Sozański zaproponował wykorzystanie do oceny asymetrii napięć współczynnika obliczonego na podstawie pomiaru napięć fazowych:

%

 100









 

U

U U

U U

U

A

U

gdzie: UA ,UB ,UC – wartości skuteczne napięć fazowych,

U – wartość średnia napięć fazowych obliczona z zależności:

3

C B

A

U U

U  U  

Przepisy dotyczące asymetrii Przepisy dotyczące asymetrii

W zakresie asymetrii obowiązuje norma: PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. Z normy tej wynika, że:

 w normalnych warunkach pracy sieci nN, w ciągu każdego tygodnia, 5 % ze zbioru 10-minutowych, średnich wartości skutecznych składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale od 0 do 2 % wartości składowej kolejności zgodnej; 2 %

 na obszarach, na których występują instalacje odbiorców przyłączonych częściowo jednofazowo lub między dwie fazy, niesymetria w sieci trójfazowej może osiągać wartość do około 3%;3%;

 analogiczne wymagania stawiane są sieci rozdzielczej średniego napięcia.

Projekt Rozporządzenia Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych (wersja z dnia 23 czerwca 2003) dopuszcza niższą, wynoszącą 1% wartość współczynnika niezrównoważenia składowej sysmetrycznej kolejności przeciwnej.

Skutki asymetrii Skutki asymetrii

Dla odbiorcy energii elektrycznej

Dla odbiorcy energii elektrycznej uciążliwość asymetrii zależy od rodzaju zasilanych odbiorników. Przy zasilaniu odbiorników 3-fazowych istotna jest wartość współczynnika niezrównoważenia napięć kolejności przeciwnej.

Dotyczy to w szczególności silników elektrycznych, których moment obrotowy maleje ze wzrostem udziału tej składowej.

Z punktu widzenia operatora sieci

Z punktu widzenia operatora sieci istotna jest asymetria prądów, która powoduje:

 Dodatkowe straty mocy i energii – w wyniku prądu płynącego Dodatkowe straty mocy i energii w przewodzie neutralnym oraz różnych wartości prądów w przewodach fazowych (rys. 1 i 2);

 Różne wartości spadków napięcia w poszczególnych fazach co prowadzi do Różne wartości spadków napięcia w poszczególnych fazach do asymetrii napięć (rys. 3). W skrajnych przypadkach spadek napięcia w najmniej obciążonej fazie może przyjmować wartości ujemne, a spadek napięcia w fazach najbardziej obciążonych wartości, przy których przekroczone zostaną dopuszczalne odchylenia napięcia. Może to być podstawą do żądania przez odbiorców bonifikat za niedotrzymanie parametrów jakościowych dostarczanej energii;

 Zakłócenia w pracy sieci niskiego napięcia.

Skutki asymetrii Skutki asymetrii

Rys. 1. Wpływ asymetrii obciążenia na wzrost strat mocy w linii niskiego napięcia

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0

5 ,

 0

f

N s

s

7 ,

0

f

N s

s

0 ,

1

f

N s

s

4 ,

1

f

N s

s

9 ,

1

f

N s

s

Stosunek prądu w przewodzie neutralnym do średniego prądu w przewodach fazowych I_N I _f Stosunek strat przy obciążeniu niesymetrycznym do strat przy obciążeniu symetrycznym Pasym/Psym

Skutki asymetrii Skutki asymetrii

Rys. 2. Wpływ asymetrii na wzrost strat mocy w transformatorze SN/nN.

1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

Układ połączeń Yy0 Układ połączeń Yz5

Stosunek strat przy obciążeniu niesymetrycznym do strat przy obciążeniu symetrycznym Pasym/Psym

Stosunek prądu w przewodzie neutralnym do średniego prądu w przewodach fazowych _f

N I

I

Skutki asymetrii Skutki asymetrii

Rys. 3. Przebieg zmian spadków napięcia w linii niskiego napięcia w ciągu doby

a)

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Godzina

Spadek napięcia, w %

Faza A przed przepl.

Faza B przed przepl.

Faza C przed przepl.

Ograniczanie skutków asymetrii Ograniczanie skutków asymetrii

Zupełne wyeliminowanie asymetrii obciążenia w sieci niskiego napięcia jest praktycznie niemożliwe ponieważ odbiory jednofazowe są załączane w różnych punktach linii w dodatku w sposób losowy (urządzenia do symetryzacji musiałyby być zainstalowane praktycznie na każdym przyłączu).

Skutki asymetrii obciążenia można zmniejszyć poprzez:

1) równomierny rozkład odbiorów jednofazowych na poszczególne fazy, 2) zwiększenie przekroju przewodu neutralnego,

3) instalację urządzeń do symetryzacji obciążenia, 4)4) dokonanie przeplecenia przewodów fazowych.dokonanie przeplecenia przewodów fazowych

Efektywność pierwszych trzech spośród wymienionych wyżej sposobów ograniczania skutków asymetrii przedstawiono w książce pod red Jerzego Kulczyckiego pt.:

„Ograniczanie strat energii elektrycznej w elektroenergetycznych sieciach rozdzielczych”

Wyd. Polskie Towarzystwo Przesyłu i Rozdziału Energii Elektrycznej Poznań, czerwiec 2002.

Przedmiotem referatu jest ocena skuteczności zastosowania przepleceń przewodów fazowych dla zmniejszenia skutków asymetrii. Ideę przepleceń ilustruje rys. 4.

Przeplecenia Przeplecenia

Rys. 4. Ilustracja idei przepleceń przewodów fazowych w linii niskiego napięcia

A B C A

B C A

B C

a) bez przepleceń

A B C

b) jedno przeplecenie

C A B

A B C

c) dwa przeplecenia – oba „w przód”

C A B

B C A

A B C

d) dwa przeplecenia – „w przód” i „w tył”

C A B

A B C

A B C

e) trzy przeplecenia – wszystkie „w przód”

C A B

zestaw obciążeń jednego przyłącza

Obliczenia symulacyjne Obliczenia symulacyjne

Obliczenia symulacyjne wykonano na modelu linii napowietrznej niskiego napięcia z przewodami aluminiowymi o przekroju 450 mm², składającej się z 20 przęseł o długości od 35 do 45 m (łącznie 800 m). Obliczenia wykonano przy następujących warunkach:

 Na każdym słupie linii znajduje się przyłącze trójfazowe,

 Wartości prądów płynących z linii do każdego przyłącza określono w sposób losowy z zakresu od 0 do 12 A (niezależnie dla każdej z faz).

 Do dalszych obliczeń przyjmowano te zestawy wylosowanych obciążeń przyłączy, dla których występowała wyraźna asymetria prądów wpływających do linii z transformatora SN/nN, tj. takie, przy których stosunek prądu przewodu neutralnego do średniego prądu fazowego spełniał warunek : .I_N I_f  0,5

Dla każdego ze spełniających powyższe warunki zestawów obciążeń przyłączy wykonano obliczenia rozpływu prądów w poszczególnych odcinakach linii oraz odchyleń napięcia wzdłuż linii. Obliczenia wykonano dla następujących przypadków (rys. 4):

a) bez przepleceń,

b) przy jednym przepleceniu,

c) przy dwóch przepleceniach – oba „do przodu”,

d) przy dwóch przepleceniach – jedno „do przodu” i jedno „do tyłu”

e) przy trzech przepleceniach – wszystkie „do przodu”.

Wyniki obliczeń Wyniki obliczeń

Tabela 1. Zestawienie wyników obliczeń na modelu linii

Dla sprawdzenia skuteczności zaproponowanej metody ograniczania skutków asymetrii wykonano dwa przeplecenia w linii napowietrznej z przewodami aluminiowymi o

przekroju 450 mm².

Linia wyprowadzona jest ze stacji SN/nN krótkim odcinkiem kabla, po czym rozgałęzia się w dwóch kierunkach. Jedno odgałęzienie o długości 400 m zasila 17 przyłączy, a drugie o długości 650 m zasila 37 przyłączy. Przeplecenia wykonano w dłuższym z odgałęzień.

Przed i po dokonaniu przepleceń wykonano pomiary prądów wpływających do linii ze stacji zasilającej oraz wartości napięć fazowych w punkcie zasilania oraz na końcu dłuższego odgałęzienia linii.

Średni (w ciągu doby) współczynnik asymetrii napięć na końcu dłuższego odgałęzienia wynosił:

przed przepleceniem: A_U = 9,84 %,

po przepleceniu A_U = 3,25%.

Otrzymane wyniki należy traktować jako orientacyjne, ze względu na odległość w czasie pomiędzy dokonaniem pomiarów przed przepleceniem (28 lutego), a wykonaniem prze- pleceń i ponownymi pomiarami (22 maja). W tym okresie nastąpiło zmniejszenie

obciążenia linii, mogła także nastąpić zmiana rozkładu obciążeń między poszczególne fazy

Przeplecenia w linii istniejącej

Przeplecenia w linii istniejącej

Rys. 5. Przebieg zmian spadku napięcia na końcu linii:

a)

-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Godzina

Spadek napięcia, w %

Faza A przed przepl.

Faza B przed przepl.

Faza C przed przepl.

b)

-2 0 2 4 6 8 10 12

9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 0 1 2 3 4 5 6 7 8

Godzina

Spadek napięcia, w %

Faza A po przepl.

Faza B po przepl.

Faza C po przepl.

Spadki napięcia przed i po przepleceniu Spadki napięcia przed i po przepleceniu

a) prze wykonaniem przepleceń

b) po wykonaniu przepleceń

Podsumowanie Podsumowanie

Z przeprowadzonych dotychczas badań wynika, że:

2) Dodatkowym efektem zmniejszenia asymetrii obciążenia jest zmniejszenie strat mocy i energii w liniach niskiego napięcia oraz w transformatorach zasilających te linie.

3) Wykonane dotychczas badania nie dają podstaw do wyciągnięcia uogólnia- jących wniosków odnośnie zasad lokalizacji punktów, w których należy dokonać przepleceń oraz ich liczby i rodzaju. Dlatego badania należy kontynuować zarówno na modelowych jak i rzeczywistych liniach niskiego napięcia.

1) Przeplecenia mogą się okazać tanim i skutecznym środkiem zmniejszenia asymetrii napięć oraz wynikającym z tego powodu przekroczeniom dopuszczalnych odchyleń napięcia w obwodach niskiego napięcia.

Odpowiedź na pytania zawarte w referacie generalnym Odpowiedź na pytania zawarte w referacie generalnym

1. 1. Czy istnieje możliwości pomiaru ? Czy istnieje możliwości pomiaru ?

Tak są rejestratory w cenie od kilku tys. złotych do kilkunastu tys.

Tak są rejestratory w cenie od kilku tys. złotych do kilkunastu tys.

dolarów. Dla przykładu rejestrator parametrów jakości energii dolarów. Dla przykładu rejestrator parametrów jakości energii

włoskiecj firmy Carlo Gavazzi typu PQA-2002 kosztuje 2800 € + VAT włoskiecj firmy Carlo Gavazzi typu PQA-2002 kosztuje 2800 € + VAT

(ok. 16 000 zł). Szczegóły można znaleźć na stronie:

(ok. 16 000 zł). Szczegóły można znaleźć na stronie:

http://www.sprint.com.pl/~e-s-t/idex1.html http://www.sprint.com.pl/~e-s-t/idex1.html

2. 2. Czy pomiary wykonane w lutym i w maju są miarodajne ? Czy pomiary wykonane w lutym i w maju są miarodajne ?

Niestety nie – dlatego sugeruje się ponowne wykonanie pomiarów Niestety nie – dlatego sugeruje się ponowne wykonanie pomiarów

w tym obwodzie w dłuższym okresie czasu w zimie 2003/04.

w tym obwodzie w dłuższym okresie czasu w zimie 2003/04.

Odnośnie proponowanych tematów do dyskusji Odnośnie proponowanych tematów do dyskusji

Ad 1. Nie słyszałem o innych przypadkach stosowania przepleceń w sieci

niskiego napięcia – chętnie dowiedziałbym się coś na temat ewentualnych doświadczeń w tym zakresie?

Ad. 2. Zakres przeniesienia zapisów normy PN-EN 50160 do rozporządzenia przyłączeniowego:

a) W zakresie asymetrii – projekt rozporządzenia przewiduje zaostrzenie w wymagań w stosunku do normy (ograniczenie zawartości składowej symetrycznej przeciwnej napięcia do 1 % składowej kolejności zgodnej).

Wydaje się, że jest to wymaganie nieuzasadnione.

b) W zakresie odchyleń napięcia projekt rozporządzenia przewiduje podwyższenie w sieci średniego i niskiego napięcia dopuszczalnej wartości odchylenia napięcia w górę do 10% U_n. Moim zdaniem podwyższenie dopuszczalnej wartości odchylenia napięcia w górę w sieci SN jest uzasadnione warunkami regulacji napięcia. Natomiast w sieci niskiego napięcia dopuszczalne odchylenie napięcia w górę powinno pozostać na niezmienionym poziomie tj. 5% U_n. granicy odchylenia.

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ

DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ