4. Napěťové poměry v distribuční soustavě

Transkript

1 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi Napěťové poměry v distribučí soustavě 4.1 Napěťové poměry při bezporuchovém provozím stavu Charakteristickým zakem kvality dodávaé elektrické eergie v distribučí soustavě je apětí. Základí požadavky a apětí: - v mezích staoveých ormou - pokud možo stálé, bez kolísáí - symetrické - emá obsahovat harmoické. V sítích vv a v se udržuje vyšší apětí z důvodu zmešeí ztrát (čiých i jalových) při přeosu a rozvodu el. eergie. Proto jsou zde povoley odchylky až +10 %U. V tab 4.1 jsou uvedey přibližé hodoty zmešeí ztrát při zvyšováí apětí a stejém přeášeém výkou v sítích. V sítích je podle ČSN IEC 38 povolea horí odchylka +10 % U. Vyšší apětí u spotřebičů způsobuje vyšší ztráty (viz tab. 4.1), sížeí životosti ěkterých spotřebičů apod. Sítě vv, v Spotřebiče U[%] P[%] - 5-9,5-17,5 + 0,4 Q[%] Tab. 4.1: U spotřebičů má ižší apětí za ásledek ižší ztráty v síti, protože se proud spotřebiče a tím i výko sižují (epřízivé vější projevy spotřebičů - malá svítivost, delší doba vařeí apod.). V současé době se a úrovi přechází a jmeovité hodoty a dovoleé odchylky podle IEC 38, tj. a 30/400 V ±10%. V přechodém období do r.003 se apětí má pohybovat v rozmezí 30/400V +6%/-10%. Horí odchylka v přechodém období je staovea a +6%, eboť horí mez apětí 30 V +6% je téměř shodá s horí hodotou dříve používaé velikosti a odchylek apětí, tj. 0 V +10%. Tím je zaručeo, že provoz spotřebičů dimezovaých a apětí 0 V ebude zvýšeím jmeovité hodoty apětí z 0 V a 30 V egativě ovlivě. Předpokládá se, že během přechodého období budou spotřebiče a 0 V vyřazey z provozu. Všechy ové elektrické spotřebiče musí již vyhovovat vyššímu apětí, tj. 30 V

2 4.1.1 Úbytek apětí Při posuzováí kvality apětí se kromě "dovoleá odchylka" rozezává dále "odchylka" apětí, což je rozdíl mezi skutečým apětím v daém místě a apětím jmeovitým a "úbytek apětí", což je rozdíl mezi velikostí apětí apř. a začátku a a koci vedeí, a primárí a sekudárí straě trasformátoru (apětí přepočteo a jedu strau trasformátoru) apod. Poz.: Nejedá se o komplexí hodotu rozdílu mezi U1 a U, ale o rozdíl velikostí apětí U U 1 U (viz obr. 4.1). Při ávrhu distribučí sítě je uté staovit úbytky apětí, které vzikou a vekovích ebo kabelových vedeích a a trasformátorech při předpokládaém výpočtovém zatížeí. Staoveí parametrů - trasformátoru Pk U Pk R [; kw, kv] r u r S S Z u U k % 100 S [; MVA, kv] z u k% 100 X - elektrického vedeí R R 1 l [] Sv r R U v X Sv X 1 l [] x X U u Z R [] x z r u x U B B 1 l [S] b B Sv R, Z, X, B - parametry trasformátoru ebo el. vedeí r, z, x, b - parametry trasformátoru ebo el. vedeí v poměrých hodotách R1, X1, B1- parametry el.vedeí a 1 km l - délka vedeí U, S - jmeovité hodoty trasformátoru Uv, Sv - vztažé apětí (u vedeí UV=Uved) a výko Pk - ztráty akrátko trasformátoru uk - apětí akrátko trasformátoru Při kotrole úbytků apětí se uvažuje teplota 60 oc (pro staoveí R vedeí). v v k

3 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Náhradí schéma Při výpočtu úbytku apětí a el. vedeích v, a a trasformátorech je možé zaedbat v áhradím schématu příčou admitaci. Náhradí schéma vedeí i trasformátoru a fázorové diagramy jsou potom obdobé, jak je zobrazeo a obr Úbytek apětí U - pro iduktiví odběr (v distribučí soustavě převažující) a b e d ( X I cos R I si) U f U 1 f U f R I cos X I si U - pro acití odběr c a b e d ( X I cos R I si) U f R I cos X I si U U 3 U f c kde a až e jsou zázorěy a obr Vztah pro c je odvoze z trojúhelíka ABC: id ( X I cos R I si) ( U f 1 c) U1 f id ( X I cos R I si) U 1 f c c c (U 1 pro případ c << U1f f id f 1 f c) ( X I cos R I si) c U Jiý postup výpočtu by byl staoveím apětí U1 při zámém apětí U 0 a proudu I I č ji j. U U f id a b e d ( R jx ) ( I č ji j ) R I č X I j j( X I č R I j ) id id f U 1 U 3 U f U1č ju1 j f U U 1 1č U 1 j U U 1 U - 5 -

4 Obr. 4.1: Náhradí schéma el. vedeí a trasformátoru, fázorové diagramy

5 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Podle ČSN je možé provádět výpočet úbytků apětí za ěkterých předpokladů zjedodušeě. - el. vedeí Je-li cos > 0,5, je možé zaedbat část c (obr. 4.1) U 3 ( R I cos X I si) id R P X U Q ebo v poměrých hodotách při zvoleém Uv, Sv id r p x q u r i cos x i si) u - trasformátor Je-li u 0% u T k ( r cos ( u r id cos u x si) id x si) 0,5 ( x cos r si) 0,5 ( u x id id cos u r si) kde P S I p ebo s ebo i P S I Úbytek apětí se při stejém přeášeém výkou S měí s účiíkem. U trasformátoru, kde je X >> R, je tato změa začá. Například při cos = 0,8 (si = 0,6) je úbytek až,5 krát větší ež při cos = 1 - (trasformátor /0,4 kv). Meší úbytky apětí jsou při stejém zatížeí v sítích kabelových ež v sítích s vekovími vedeími, protože reaktace kabelů je začě ižší ež u vekovích vedeí a acita kabelů (vyšší ež u vekovích vedeí) přízivě ovlivňuje účiík při přeosu. Na obr. 4. jsou zakresley úbytky apětí U a el. vedeí vv, v a, a a trasformátorech vv/v a v/. Důležitá je otázka přípustého poklesu apětí a svorkách motorů. Při rozběhu motorů se zvýší proud a tím i úbytek apětí v přívodu k motoru. Síží se apětí a svorkách motoru, příp. i a přípojici v rozvodě ebo a apájecím trasformátoru. Napětí a svorkách motoru může při rozběhu poklesout pod přípustou mez. Prodlouží se doba rozběhu případě se motor erozběhe. Pokles apětí při rozběhu motoru by epřízivě ovlivil i ostatí spotřebiče (apř

6 odpadutí stykačů). Aby došlo k rozběhu motoru, musí být záběrý momet při poklesu apětí Mz(U) větší ež zátěžý momet poháěého stroje při ulových otáčkách Mr: M ( U ) z M r kde ( U ) ( ) M z U M z U U Podmíku pro rozběh lze tedy psát: M z ( U ) U M r M U M a v poměrých hodotách k m u k u. mi. potřebé apětí a svorkách motoru m kde m M ( U M z, ) M M r k, u U U m poměrý záběrý momet motoru (štítková hodota) M - jmeovitý momet motoru Pokles apětí: ( u 1 u) 1 k m m k m m u m k m m Bude-li pokles apětí a začátku rozběhu způsobeý rozběhovým proudem motoru Iz s účiíkem cos z splňovat uvedeou podmíku, bude splěa výchozí podmíka M z ( U ) M r. Motor se rozběhe, ale rozběh může trvat delší dobu, což může být epřípusté apř. z hlediska otepleí motoru delším průchodem Iz apod. Výpočet skutečého poklesu apětí při rozběhu motoru v síti se provádí při zatížeí motoru proudem Iz a při účiíku cos z. Veličiy Iz, cos z, m jsou parametry motoru, k je parametr poháěého stroje. Průřez el. vedeí ebo výko apájecích trasformátorů se volí tak, aby edocházelo k epřípustému poklesu apětí a aby se omezilo kolísáí apětí v síti. Podklady a výpočet jsou uvedey v lit. /14/

7 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi Předpoklady pro udržeí apětí v distribučí soustavě v dovoleých mezích Pro dodržeí úrově apětí ve staoveém rozmezí jsou ezbytými předpoklady: - řádě vypracovaý projekt - volba schématu apájeí (vzdáleosti a počty uzlových staic 110 kv/v, délky vedeí v, vzdáleosti a počty el. staic v/, rozsah apájeé sítě apod.) - volba trasformátorů (s regulací, bez regulace) - áležitý průřez vodičů - z jedoho zdroje apájet spotřebiče s podobým charakterem odběru, příp. oddělit kabelová vedeí od vekovích vedeí - kompezace jalového výkou - respektováí budoucího rozšiřováí sítě apod. - dodržováí provozího režimu - odepíat málo zatížeá vedeí - dodržovat a řídit apětí v uzlech adřazeé soustavy - volit správě místa rozpojeí vedeí - vedeí v zauzleé síti ebo paralelí vedeí spíat podle zatížeí (změí se parametry sítě) - prováděí revizí zařízeí a pravidelé údržby. Pokud astaou v daé síti problémy s dodržeím úrově apětí, je možé provést ásledující opatřeí: - přestaveí parametrů automatických regulátorů apětí (úroveň apětí, kompaudaci) u trasformátoru vv/v - přestaveí odboček distribučích trasformátorů v/ - důsledou kompezaci jalového výkou - zařazeí dalšího regulačího trasformátoru ebo autotrasformátoru - rekostrukci el. vedeí (zesilováí sítí, zahušťováí sítí) - zvýšeí počtu apájecích staic Rozbor prvků v distribučí soustavě z hlediska regulace apětí Trasformátor 110 kv/v je posledím člákem, a kterém lze provádět regulaci apětí při zatížeí. Většia trasformátorů je provedea s převodem 110 kv ± 8x%/v. Trasformátory jsou vybavey automatickými regulátory apětí. Počet regulací během de emá z důvodu ároků a přepíač odboček přesáhout 5. Je proto uté automatický regulátor správě astavit

8 Nastavuje se zejméa: uz - zadaá hladia apětí - proudová kompaudace T - časové zpožděí regulace N - ecitlivost Napětí u a výstupu trasformátoru má hodotu: I u u z I I - zatížeí trasformátoru I - jmeovitý proud trasformátoru u, uz, - v poměrých ebo procetích hodotách Proudová kompaudace umožňuje zvýšeí apětí a výstupu trasformátoru při vyšším zatížeí a tím elimiaci zvýšeí úbytků v síti v a dosažeí potřebého apětí i a koci delších vedeí. Regulace apětí u trasformátoru 110 kv/v umoží astaveí výchozího apětí pro distribučí síť, ezávislého a apětí v síti 110 kv a a úbytku apětí v trasformátoru (zvýšeí apětí o UT - viz obr. 4.). Distribučí trasformátory v/ Trasformátory v/ jsou vybavey odbočkami a primárí straě, které lze přepíat ve stavu bez apětí. Starší trasformátory mají 3 stupě, a to +5; 0; -5 %, ovější 5 stupňů: +5; +,5; 0; -,5 a -5 %. Distribučí trasformátory již eumožňují regulaci za provozu. Je proto a jejich výstupu apětí: u u1 u T u T u1, u - apětí a primáru a sekudáru trasformátoru ut - odchylka apětí daá pevě astaveou odbočkou regulace ut - úbytek apětí a trasformátoru (cca 5 % při I) Odbočka +5 % se užívá zejméa ve staicích umístěých v blízkosti rozvody. Protože jsou odbočky a primáru trasformátoru, je při této odbočce apětí u ejižší. Odbočka -5 % se používá a koci dlouhých paprskových vedeí. Neí-li a trasformátorech 110 kv/v využita kompaudace, jsou spotřebitelé apájeí z trasformátorů s odbočkou -5 % při odlehčeí sítě postižei zvýšeým apětím. Nejčastěji je využita odbočka 0 %. Při áhradím apájeí z jié rozvody edochází k velkým odchylkám apětí. Je využíváa zejméa v městských kabelových rozvodech, kde je úbytek apětí malý

9 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Zásady regulace apětí V distribučí soustavě zpravidla jede trasformátor 110 kv/v apájí samostatě dílčí oblast. Pro účely regulace se tato oblast ahradí tzv. charakteristickým bodem, jehož apětí ejlépe reprezetuje apětí v oblasti. V tomto bodě se uvažuje apětí a primáru distribučího trasformátoru o cca % vyšší ež U. Aby ahrazeí sítě tímto bodem bylo přesější, sdružují se odběry tak, aby měly obdobý charakter. Dělí se a průmyslový, vekovský a městský odběr. Charakteristický bod se volí v místě, kde se předpokládá cca polovičí úbytek apětí vzhledem k úbytku a ejvzdáleějším místě sítě: 1 1 u u1 u u1 - úbytek a ejdelším vývodu v v maximu zatížeí Imax u - úbytek v síti v maximu zatížeí ut - úbytek a distribučím trasformátoru Teto úbytek v charakteristickém bodě musí být kompezová zvýšeím apětí v trasformově 110 kv/v a přípojicích v. Proto musí být proudová kompaudace astavea tak, aby byla splěa podmíka: I I max u u I I max - kompaudace I - jmeovitý proud trasformátoru Distribučí trasformátor v/ v charakteristickém bodě bude astave a odbočce 0 (tj. o cca 5 % vyšší apětí a sekudáru ež a primáru, eí-li trasformátor zatíže). Jestliže má být apětí v charakteristickém bodě 10 % U, a to a sekudáru distribučího trasformátoru, bude hodota apětí uz astaveá a automatickém regulátoru trasformátoru 110 kv/v 97 % U. Necitlivost N se u automatického regulátoru astavuje vyšší ež je jeda odbočka trasformátoru (odbočky po %). Volí se apř.,5 %. Časové zpožděí se volí tak, aby edocházelo k více regulacím ež 5 za de. Vyhovuje apř. astaveí T = 5 mi. Staoveí úbytků apětí, astaveí odboček regulace, sledováí hodot apětí ve všech apájeých bodech při maximu i miimu zatížeí se v současé době s výhodou provádí využitím počítačových programů. Na obr. 4. je zázorě průběh apětí v části distribučí soustavy od u T

10 přívodího vedeí vv (110 kv), přes regulačí trasformátor vv/v, vedeí až ke spotřebiči. Při apětí a začátku vedeí vv o velikosti u1 (U1) bude apětí a koci vedeí u (U): u u u u u u u u u 1 vv T1 T1 v T T 110 kv/v v/ Obr. 4.: Průběh odchylek a úbytků apětí v sítích 110 kv, v a 4. Přepětí Přepětí je každé apětí, které je vyšší ež ejvyšší provozovací apětí soustavy Um (40; 45; 13; 5; 1; 7,; 3,6 kv). Přepětí jsou provozí ebo atmosférická. Provozí přepětí vzikají: - při maipulaci v síti (spíací - doba trváí ms, ms) - vypíáí malých iduktivích proudů (trasformátor aprázdo, reaktor - až,5 Uf) - vypíáí malých acitích proudů (vedeí aprázdo, kodezátorová baterie - až 3,5 Uf) - při poruchových stavech v síti (doba trváí ms, ms) - v soustavě s izolovaým uzlem trasformátoru při přerušovaém zemím spojeí ebo při zaputí a vyputí trvalého zemího spojeí (až 4 Uf) - při zapíáí (vziku) a při vypíáí zkratů (až Uf) - při zvýšeí apětí alterátorů, při áhlém odlehčeí soustavy, při poruše automatického regulátoru apětí trasformátoru apod. Tato přepětí jsou odstraěa pomocí regulátorů ebo adpěťových ochra během ěkolika sekud. Jedá se o tzv. ustáleá provozí přepětí, která dosahují až 1,5 Uf

11 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Atmosférická přepětí ohrožují zejméa vekoví vedeí. Vzikají buď přímým úderem blesku ebo elektromagetickou a elektrostatickou idukcí. Doba trváí je 0-50 ms. Při přímém úderu dosahuje přepětí až kv, při idukovaém přepětí až 300 kv. - přímý úder do fázového vodiče je ejméě přízivý z hlediska výše přepětí. Amplituda apětí blesku je (0,5-1).108 V. - přímý úder do zemícího laa - přímý úder do stožáru - idukovaé přepětí ve fázových vodičích vziká elektrostatickou a elektromagetickou idukcí při úderu blesku v blízkosti elektrického vedeí. Ochraa proti přepětí Proti atmosférickým přepětím je uté silová zařízeí elektrizačí soustavy chráit. Při ávrhu ochraých opatřeí se vždy uvažuje celá elektrická síť (jedé úrově apětí) se zřetelem k přepětím, která se mohou přeést ze sítě jiého apětí. Velikost maximálí hodoty apětí umax přepěťové vly je ejvyšší při přímém úderu blesku do elektrického zařízeí. Před přímým úderem blesku chráí: - zemící laa (zejméa u vekovích vedeí vv) ebo výběhová zemící laa do vzdáleosti až 1000 m od elektrické staice, spojeá a stožárech se zemí (pokud možo ízký uzemňovací odpor) - tyčové jímače ebo jímací vedeí pro ochrau rozvodých zařízeí - jímací soustavy pro ochrau budov v elektrických staicích. Postupující přepěťová vla o velikosti umax může v důsledku skokové změy vlové impedace Zv (tzv. rozhraí) měit velikost hodoty umax. Je-li změa Zv a vyšší hodotu, přepětí se zvyšuje, je-li a ižší hodotu, přepětí se zmešuje. Nepřízivý případ astává apř. při přechodu z vedeí a trasformátor, přízivý při přechodu z vekovího a kabelové vedeí. Proto se před vstup do elektrické staice zařazuje úsek kabelového vedeí (cca stovky metrů). Předpokladem pro správé řešeí ochray proti přepětí je koordiace (sladěí) izolace v daé elektrické síti. Základím člákem ochray proti přepětí jsou svodiče přepětí, a to vetilové bleskojistky a ochraá jiskřiště. Vetilové bleskojistky jsou ejčastěji používaou ochraou proti přepětí. Klasické bleskojistky jsou a bázi silicium-karbid. Sestávají z mohoásobého sériového jiskřiště se schopostí okamžitého působeí a z apěťově závislých odporových bloků. Při přepětí vyšším ež je Uzáp dojde k průrazu a bleskojistce. Průchodem proudu se zvyšuje teplota a prudce klesá odpor bleskojistky a protéká

12 proud o vysokých hodotách. Zbytkové apětí esmí překročit hodotu izolačí schoposti chráěého zařízeí. Po sížeí apětí a bleskojistce a ormálí apětí sítě prochází bleskojistkou epatrý proud, který se přeruší a jiskřišti bleskojistky při příštím průchodu ulou. Voltampérová charakteristika je zázorěa a obr.4.3. Jmeovité hodoty: Obr. 4.3: V-A charakteristika vetilové bleskojistky Uzap - zapalovací apětí Uzb - zbytkové apětí mezi sítí a zemí při průchodu Ivb Im - maximálí hodota proudu (,5 ka; 5 ka; 10 ka) Iásl - proud při poklesu apětí a provozí hodotu UN Des se stále častěji používají bleskojistky a bázi ZO, většiou bez sériového jiskřiště. Ochraá hladia bleskojistky je určea jmeovitým zbytkovým apětím ebo rázovým zapalovacím apětím ebo zapalovacím apětím v čele rázové vly děleým 1,15 (uvažuje se ejvyšší hodota)

13 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Trubkové bleskojistky (Torokovy trubice) se používají pro ochrau vekovích vedeí do kv. Na jiskřišti způsobí přepětí přeskok, fáze se spojí se zemí a protéká zkratový proud. Protože je jiskřiště vložeo v plyotvoré hmotě, vzikají plyy, které se vyfukují ve z trubice a přitom ochlazují oblouk až zhasíá. Trubkové bleskojistky se doplňují vějším ochraým jiskřištěm (v sérii). Mají horší ochraé vlastosti ež vetilové bleskojistky a omezeou schopost zhášet ásledý proud. Ochraá jiskřiště svedou přepětí za ceu vziku zkratu. Při přepětí způsobí jiskřiště zkrat mezi fází a zemí a ásledé vyputí zkratu vypíačem. Hlavím úkolem ochraých jiskřišť je zajistit koordiaci izolace růzých částí zařízeí. Uplatňují se jako paralelí cesta výbojového proudu a průchodkách, podpěrkách, izolátorových řetězcích. Jejich provedeí je kulové, růžkové ebo hrotové. U trasformátoru je to apř. vodivá tyč umístěá v určeé vzdáleosti od kovové čepičky trasformátorové průchodky (fáze) a vodivě spojeá se zemí. Jiskřiště představují je hrubou přepěťovou ochrau, mají velký rozptyl zapalovacího apětí (13 %)

14 Koordiace izolace jsou taková opatřeí, která zabráí, aby přeskoky vlivem přepětí vzikaly v místech, kde mohou způsobit vážější škody. Správé koordiace izolace v síti se dosáhe: a/ vhodou volbou ochraé hladiy. Ochraou hladiu udává apř. Uzb bleskojistky (viz předchozí), zapalovací apětí jiskřiště, přeskokové apětí daé vzdáleostí ve vzduchu apod. Maximálí ochraá hladia pro 110 kv je 450 kv, pro kv je 95 kv, pro 6 kv je 40 kv atd. Ochraá hladia elektrických vedeí je obvykle vyšší ež ochraá hladia požadovaá pro zařízeí v elektrických staicích. Proto se a přechodu vedeí do staice osazují vetilové bleskojistky, které určují ochraou hladiu pro elektrickou staici. Proti odražeým vlám se chráí ákladá zařízeí - trasformátory - ebo také přípojice dalšími soupravami bleskojistek. b/ vhodým rozdílem mezi izolačí hladiou zařízeí a ochraou hladiou svodičů přepětí v daém místě. Izolačí hladia je dáa maximálí hodotou zkušebího rázového apětí zařízeí a musí být alespoň o 0 % vyšší ež ochraá hladia. c/ vhodým rozdílem mezi izolačími hladiami růzých zařízeí ebo růzých částí jedoho zařízeí. Např. vější izolace, tj. izolátory, průchodky, má mít ižší hladiu izolace ež izolátory uvitř trasformátorů, geerátorů, motorů, přístrojů apod. Vyšší izolačí hladia se vztahuje apř. a izolaci viutí trasformátorů, přeskokové vzdáleosti vypíačů a odpojovačů, a vzdáleosti fázových vodičů vekovího vedeí apod. Aby byla izolačí hladia apř. průchodky trasformátoru ižší ež izolačí hladia vlastího trasformátoru, istalují se a průchodkách trasformátoru jiskřiště. Provozím přepětím přechodým se předchází používáím vhodých vypíačů a pojistek, včasým odstraňováím zemích spojeí, správou kompezací zemích proudů, vhodým řešeím rozvodů z hlediska vziku rezoačích jevů apod. Provozí přepětí ustáleá se odstraňují automatickou regulací apětí u alterátorů ebo trasformátorů, příp. jsou vypíáa adpěťovými ochraami osazeými apř. a přípojicích rozvody. V tab. 4. jsou pro elektrické sítě kv a 110 kv uvedey hodoty provozího apětí, vziklých přepětí a ochraých a izolačích hladi elektrických zařízeí

15 Tesařová M. Průmyslová elektroeergetika, ZČU v Plzi 000 Tab 4.: Úrově apětí [kv] 110 Provozí apětí: jmeovité apětí U 110 ejvyšší provozovaé apětí sítě Um 5 13 ejvyšší provozovaé apětí sítě Um fázové 14,4 71 Přepětí: provozí ustáleá (síťový kmitočet, efektiví hodota) provozí spíací (amplituda) atmosférická idukovaá apř atmosférická - přímý úder apř Ochraé a izolačí hladiy: ochraá hladia (ejvyšší) Uomax zapalovací apětí bleskojistky Uzap zbytkové apětí bleskojistky Uzb ochraá hladia zařízeí Uo = Uzb izolačí hladia vější izolace izolačí hladia vitří izolace