SYMETRYZACJA OBWODÓW SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA Konferencja Naukowo-Techniczna OPTYMALIZACJA W ELEKTROENERGETYCE Jachranka, 11 - 13 października 2003 roku SYMETRYZACJA OBWODÓW SIECI NISKIEGO NAPIĘCIA Waldemar Szpyra Katedra Elektroenergetyki AGH Tadeusz Mejer Zakład Energetyczny Kraków SA Tel.: (012) 617 32 47 Fax.: (012) 634 57 21 e-mail: wszpyra@agh.edu.pl Tel. dom.: (012) 637 37 81 (referat znajduje się na str. 85 – 94 mat. konf. )
Przyczyny asymetrii Obliczenia sieci elektroenergetycznych wykonywane są najczęściej przy założeniu symetrii parametrów sieci oraz napięć zasilających sieć i prądów odbiorów. Założenie to bardzo ułatwia wykonanie obliczeń, ale w praktyce jest w wielu przypadkach nieprawdziwe. W ustalonych stanach pracy sieci można wyróżnić dwa rodzaje asymetrii: asymetrię wewnętrzną – tj. asymetrię elementów sieci wynikającą z różnic impedancji własnych i wzajemnych poszczególnych faz; asymetrię zewnętrzną – tj. asymetrię wynikającą z asymetrii napięć w punktach zasilających sieć oraz asymetrię spowodowaną zasilaniem odbiorów trójfazowych o różnych mocach w każdej fazie (asymetria miejscowa), lub przyłączeniem do różnych punktów sieci odbiorów jednofazowych (asymetria przestrzenna). 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 Miarą asymetrii są tzw współczynniki niezrównoważenia składowych symetrycznych, napięć i prądów: kolejności przeciwnej: kolejności zerowej: 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: gdzie: – wartości skuteczne napięć fazowych, – wartość średnia napięć fazowych obliczona z zależności:
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; na obszarach, na których występują instalacje odbiorców przyłączonych częściowo jednofazowo lub między dwie fazy, niesymetria w sieci trójfazowej może osiągać wartość do około 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 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 istotna jest asymetria prądów, która powoduje: Dodatkowe straty mocy i energii – w wyniku prądu płynącego w przewodzie neutralnym oraz różnych wartości prądów w przewodach fazowych (rys. 1 i 2); Różne wartości spadków napięcia w poszczególnych fazach co prowadzi do 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 Rys. 1. Wpływ asymetrii obciążenia na wzrost strat mocy w linii niskiego napięcia
Rys. 2. Wpływ asymetrii na wzrost strat mocy w transformatorze SN/nN. Skutki asymetrii Rys. 2. Wpływ asymetrii na wzrost strat mocy w transformatorze SN/nN.
Skutki asymetrii Rys. 3. Przebieg zmian spadków napięcia w linii niskiego napięcia w ciągu doby
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: równomierny rozkład odbiorów jednofazowych na poszczególne fazy, zwiększenie przekroju przewodu neutralnego, instalację urządzeń do symetryzacji obciążenia, 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 Rys. 4. Ilustracja idei przepleceń przewodów fazowych w linii niskiego napięcia
Obliczenia symulacyjne Obliczenia symulacyjne wykonano na modelu linii napowietrznej niskiego napięcia z przewodami aluminiowymi o przekroju 450 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 : . 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 Tabela 1. Zestawienie wyników obliczeń na modelu linii
Przeplecenia w linii istniejącej Dla sprawdzenia skuteczności zaproponowanej metody ograniczania skutków asymetrii wykonano dwa przeplecenia w linii napowietrznej z przewodami aluminiowymi o przekroju 450 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: AU = 9,84 %, po przepleceniu AU = 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
Spadki napięcia przed i po przepleceniu a) prze wykonaniem przepleceń b) po wykonaniu przepleceń Rys. 5. Przebieg zmian spadku napięcia na końcu linii:
Podsumowanie Z przeprowadzonych dotychczas badań wynika, że: 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. 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.
Odpowiedź na pytania zawarte w referacie generalnym 1. Czy istnieje możliwości pomiaru ? Tak są rejestratory w cenie od kilku tys. złotych do kilkunastu tys. dolarów. Dla przykładu rejestrator parametrów jakości energii włoskiecj firmy Carlo Gavazzi typu PQA-2002 kosztuje 2800 € + VAT (ok. 16 000 zł). Szczegóły można znaleźć na stronie: http://www.sprint.com.pl/~e-s-t/idex1.html 2. Czy pomiary wykonane w lutym i w maju są miarodajne ? Niestety nie – dlatego sugeruje się ponowne wykonanie pomiarów w tym obwodzie w dłuższym okresie czasu w zimie 2003/04.
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% Un. 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% Un. granicy odchylenia.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ