EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ ZAPADY NAPIĘCIA dr hab. inż. Zbigniew Hanzelka

2 JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ ZAPADY NAPIĘCIA Zbigniew HANZELKA KGHM, marzec 2012 r

3 ZAPADY NAPIĘCIA napięcie Wartość progowa (np.10%)

4 ZAPADY NAPIĘCIA Napięcie refrencyjne Próg (np. 90%) U = 0 Czas trwania zapadu Napięcie resztkowe Próg krótkiej przerwy

5 ZAPADY NAPIĘCIA voltage ωt phase Zmiana jump fazy Regulacje pomijają także fazę początkową zapadu

6 Zapad trójfazowy

7 Przyczyny zapadów napięcia

8 ŹRÓDŁA ZAPADÓW

9 Przyczyny zapadów napięcia S Z 1 O 1 Z 2 O 2 SC U S = 1 U 01 = Z 1 Z 2 + Z + Z Z 3 U 02 = Z 1 Z + Z Z 3 U SC = 0

10 Połączenie transformatora 1.5 Phase A-B 480 Voltage 115 kv Voltage (V pu) kv SLGF Time (ms) 1.5 Phase B-C 480 Voltage 13.8 kv Voltage (V pu) Time (ms) 1.5 Phase C-A 480 Voltage 480 V Voltage (V pu) kv SLGF Time (ms)

12 AUTOMATYKA SAMOCZYNNEGO POWTÓRNEGO ZAŁĄCZANIA (SPZ)

15 ŹRÓDŁA ZAPADÓW Rozruch silnika

17 LOKALIZACJA ŻRÓDŁA prąd napięcie prąd napięcie

18 Skutki

19 SKUTKI ZAPADÓW

20 1996 ITIC Curve1 Information Technology Industry Council

21 1996 ITIC Curve Information Technology Industry Council Percent of Nominal Voltage (RMS or Peak Equivalent) Voltage-Tolerance Envelope Applicable to 120, 120/208, and 120/240 Nominal Voltages µs c 0.01 c 0.1 c 0.5 c 1 c 10 c 100 c 1000 c 1 ms 3 ms 20 ms 0.5 s 10 s Steady State Duration of Disturbance in Cycles (c) and Seconds (s)

22 SKUTKI ZAPADÓW NAPIĘCIA Styczniki i przekaźniki Silniki indukcyjne Maszyny synchroniczne Regulowane napędy elektryczne system sterowania część energoelektroniczna utrata kontroli nad prędkością i momentem nie tolerowana przez wiele technologii. Lampy wyładowcze

23 Styczniki

24 Styczniki Phase shift 0 o 90 o 45 o Voltage, [%] o point on wave 0 o point on wave Time, [ms]

25 Zapady napięcia ac control devices Variable speed drives Industrial automatic systems Office-science equipment air conditioning lighting

26 Sposoby redukcji skutków

27 SPOSOBY POPRAWY - redukcja liczby zwarć - skrócenie czasu eliminacji zwarć - usprawnienie lokalizacji uszkodzeń - eliminacja zwarć za pomocą automatyki SPZ - zmiana konfiguracji systemu zasilającego - rezerwowanie zasilania - stosowanie odpornego sprzętu - stabilizatory napięcia - układy gromadzące energię (UPS, SMES, koła zamachowe...) - układy bez możliwości gromadzenia energii

28 ZMNIEJSZENIE LICZBY ZWARĆ Zastępowanie linii napowietrznych liniami kablowymi (długi czas naprawy) Stosowanie pokrytych przewodów w liniach napowietrznych Rygorystyczne przestrzeganie okresów przycinania drzew Stosowanie odgromników Podwyższenie poziomu izolacji Zwiększenie dbałości podczas napraw i przeglądów

29 SKRÓCENIE CZASU ELIMINACJI ZWARĆ Zmiana systemu zabezpieczeń, brak redukcji liczby zwarć szybkie bezpieczniki ograniczające prąd zwarciowy (mniej niż połowa okresu, głównie odbiorcy końcowi niskiego napięcia) czas działania wyłącznika + czas podejmowania decyzji przez zabezpieczenie

30 USPRAWNIENIE LOKALIZACJI USZKODZEŃ Nowoczesne środki łączności, transportu i zdalnego sterowania łącznikami (telemechanika) Wskaźniki przepływu prądu zwarciowego (średnie napięcie) Systemy zdalnego monitorowania stanu sieci

31 POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU

32 POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Zgromadzenie informacji o systemie Uzyskanie informacji o czułości sprzętu Okreslenie kosztów potecjalnego zakłócenia

33 POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Dla układów jednofazowych stosowanie bardziej złożonych zasilaczy dc/dc tolerujących większe zmiany napięcia wejściowego Zasilacze dc nie powinny być przeciążone Wspólne sterowanie układami zasilaczy Projektowanie sprzętu z wykorzystanie odpornych elementów składowych np. przekaźników, styczników, układów rozruchowych; unikanie stosowania w odpowiedzialnych układach styczników powszechnego zastosowania Unikanie stosowania sprzętu o niedostosowanym napięciu zasilajacym

34 POPRAWA ODPORNOŚCI SPRZĘTU Wyłączniki i bezpieczniki powinny być wymiarowane na większe prądy łączeniowe Unikanie stosowania pamięci ulotnych Przewidzieć na etapie projektowania możliwość zmiany parametrów procesu technologicznego na skutek zapadu napięcia

35 kgm kgm 2 Zapad: 30 % i 167 ms, M=const kgm 2

36 Zapad: 30 % i 167 ms ω M=const ω * P=const

37 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia Zmiana trybu pracy napędu i modyfikacja układu sterowanial; Modyfikacja topologii układu energoelektronicznego; Alternatywne zasilanie; Instalacja układów kompensujących.

38 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia INVERTOR Sieć zasilająca Prostownik U dc Schemat ideowy regulowanego napędu VSI

39 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia

43 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia 1 M E T O D A Ręczny lub automatyczny ponowny rozruch napędu po określonym czasie zwłoki podczas którego prędkość silnika maleje do zera. 2 M E T O D A Szybkie zahamowanie napędu i konwencjonalny ponowny rozruch. 3 M E T O D A Automatyczny rozruch silnika po upływie określonego czasu (zależnego od stałej czasowej wirnika, typowo kilkaset ms).

44 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia 4 M E T O D A Synchronizacja napięciowa inwertora. 5 M E T O D A Modyfikacja sterowania z wykorzystaniem energii konetycznej wirujących mas. 6 M E T O D A Redukcja prędkości/momentu obciążenia.

45 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia 7 M E T O D A Przewymiarowanie napięciowe przekształtników. 8 M E T O D A Zwiększenie pojemności kondensatorów w obwodzie DC.

46 Podwyższenie odporności regulowanego napędu na zapady napięcia CI-ML-VSI Zasilane SN Elementarny moduł transformator

47 9 M E T O D A Poprawa warunków zasilania układu regulacji UPS M Control system (PLL) M

48 10 M E T O D A Przeksz. główny Rezystor Wspólne szyny dc Układ gromadzący energię

49 11 M E T O D A Stabilizator

50 11 M E T O D A

51 11 M E T O D A Dodatkowy zbiornik energii

52 11 M E T O D A Dodatkowy zbiornik energii

53 11 M E T O D A Aktywny przekształtnik wejściowy

54 POMIAR ZAPADÓW NAPIĘCIA

55 N u U N i ms rms = = = = i ms rms s rms U U min 10 = = i s rms rms U U min 10 2 = = i rms h rms U U N u U N i rms = = 1 2 2) (1/

56 napięcie czas

57 System Average RMS (Variation) Frequency Index Voltage (SARFI X ) 0.5 cycle-1 min. SARFI X = ΣN N T i X = 90, 80, 70, 50, 10 % System Momentary RMS (Variation) Frequency Index Voltage (SMARFI X ) 30 okresów-3 s System Temporary Average RMS (Variation) Frequency Index Voltage (STARFI X ) 3-60 s

58 POMIAR ZAPADÓW NAPIĘCIA NRS-048-2:2003 IEEE P1564 draft5 Południowa Afryka

59 Wskaźniki oparte na energii Energia zapadu napięcia = T nom VS dt U t U E 0 2 ) ( 1 T U U E nom VS = 2 1 ) ( C VS B VS A VS VS E E E E + + = = = n i i E VS SEI 1

60 Indeksy oparte na zmianach napięcia Strata napięcia ( U( t ) L U = ) dt 1 S=(1-R)T Wskaźnik odniesiony do charakterystyki referencyjnej S e 1 U U: wartość resztkowa napięcia = 1 U ( d ) ref podczas zapadu o czasie trwania d, U ref (d): wartość zapadu na charakterystyce referencyjnej dla czasu trwania zaburzenia d

61 POMIAR ZAPADÓW NAPIĘCIA Indeks ostrości zapadu odniesiony do charakterystyki referencyjnej (linia ciągła) dla zaburzeń o różnym czasie trwania i różnym napięciu resztkowym

62 RPM Power Quality index approach 100% V PQ Index = 100% V CBEMA x100% ( T )

63 KONTRAKT

64 KONTRAKT WANDA SYSTEM PRZESYŁOWY LUBOCZA BEN 5000 Qwave SKAW. SYSTEM ROZDZIELCZY 220 kv 3x160 MVA 110 kv LUBOCZA odbiorcy przemysłowi i komunalni, WANDA - odbiorcy przemysłowi, SKAWINA w pobliżu elektrociepłowni

65 Decyzja 1: Wybór wielkości opisujących zapad wartość progowa U = 0 czas trwania zapadu napięcie resztkowe

66 Decyzja 2: Agregacja fazowa?

67 Agregacja fazowa Voltage Dip duration Time

68 Agregacja fazowa voltage [%] duration of the dip time [s]

69 Decyzja 3: Sposób raportowania wyników pomiaru: Czas trwania Napięcie resztkowe u [%] 90 > u > u > u > u > u ms ms ms 500 ms- 1 s 1-3 s 3-20 s s s UWAGA 1: Wyniki pomiarów w pierwszej kolumnie i pierwszym wierszu są odpowiednio zwiększone przez przepięcia i zmiany obciążenia.

70 Zapady napięcia bez agregacji (WANDA) Zapady [%] ms ms 500 m s- 1s 1-3s 3-20s 20-1min /3/0 0/0/0 0/0/0 0/0/0 0/0/0 0/0/ /0/4 2/3/3 1/1/1 0/0/0 0/0/0 0/0/ /1/3 0/0/1 0/0/1 0/0/0 0/0/0 0/0/ /1/1 0/0/0 0/0/0 0/0/0 0/0/0 0/0/ /2/3 0/0/0 0/0/0 0/0/2 2/1/3 0/1/0 Liczba zarejestrowanych zapadów: 44

71 Agregacja fazowa (WANDA) Zapady [%] ms ms 500ms - 1s 1-3s 3-20s 20s - 1min Liczba zarejestrowanych zapadów: 38

72 Decyzja 4: Pomiar wartości skutecznej napięcia Norma PN EN U rms (1 / 2) = N i= 1 N u 2 U rms 200 ms = N i= 1 u N 2 U rms 3 s = 15 i= 1 U 2 rms 200 ms 15 U rms 10 min = 200 i= 1 U 2 rms 3 s 200 U rms 2 h = 12 i= 1 U 2 rms 10 min 12

73 Decyzja 5: Napięcie referencyjne przyjmowane dla celów pomiarowych napięcie znamionowe napięcie deklarowane lub ruchoma średnia.

74 Wartość skuteczna napięcia ruchoma średnia 10 ms Czas

75 wartość napięcia referencyjnego GPZ WANDA Napięcie referencyjne 90 % 80 % 70 % 60 % U N = 110 kv U N = 120 kv 44 * U N = U X kv 44 * LUBOCZA U N = 110 kv U N = 120 kv 74 * U N = U X kv SKAWINA U N = 110 kv U N = 120 kv 19 * U N = U X kv 19 * * - niepełna liczba zapadów, U X napięcie przed zapadem

76 Decyzja 6: Wartość napięcia progowego stała wartość napięcia progowego zmienna wartość napięcia progowego (kilka napięć progowych)

77 Decyzja 6: zapad 1 zapad 3 wartość skuteczna napięcia zapad 2 czas

78 Decyzja 6: wartość progowa detekcji zaburzeń (90, 70 %)

79 Zależność liczby zapadów od przyjętej wartości progowej number of dips Skawina Wanda Lubocza Substations 90% 80% 70% 60%

80 Histereza pomiarowa wartość progowa 2 wartość progowa 1 histereza czas trwania zapadu

81 Decyzja 7: Rozróżnienie pomiędzy zapadem i krótką przerwą w zasilaniu Krótka przerwa w zasilaniu Nagłe zmniejszenie się napięcia we wszystkich fazach sieci elektrycznej poniżej wartości progowej, zakończone powrotem napięcia do wartości równej lub bliskiej wartości początkowej.

82 Decyzja 8: Pomiar zapadów: 1-fazowe 3-fazowe napięcia fazowe napięcia międzyfazowe

83 1 Decyzja 8:

84 Decyzja 9: Czas pomiaru ½ roku, 1 rok Decyzja 10: Agregacja czasowa

85 AUTOMATYKA SAMOCZYNNEGO POWTÓRNEGO ZAŁĄCZANIA (SPZ)

86 Agregacja czasowa

87 Agregacja czasowa Zapad 1 Zapad 2 1. min (3 min.) czas

88 Agregacja 1-minutowa (WANDA) Zapad y [%] m s ms 500ms - 1s 1-3s 3-20s 20s - 1min Liczba zarejestrowanych zapadów: 25

89 Agregacja 3-minutowa (WANDA) Zapady [%] ms ms 500m s - 1s 1-3s 3-20s 20s - 1min Liczba zarejestrowanych zapadów: 23

90 Zależność liczby zapadów od przyjętej metody agregacji c om p aris on of ag g reg ation m eth od s number of dips n o ag g reg ation p h as e ag g reg ation 1 -m in u te tim e- ag g reg ation 3 -m in u te tim e- ag g reg ation 3 -m in u te tim e- ag g reg ation an d p h as e ag g reg ation ag g reg ation m eth od u s ed S k aw in a L u b oc z a W an d a SKAWINA 19/13/15/15/11 LUBOCZA 74/71/44/43/41 WANDA 44/38/25/24/16

91 Decyzja 10: Kryteria wyboru punktów pomiarowych i ich indywidualne charakterystyki Liczba i lokalizacja przyrządów pomiarowych Rodzaj sprzętu pomiarowego Prezentacja danych w V lub jednostkach względnych lub w ujęciu statystycznym Prezentacja wartości max., średnich, percentyli lub innych indeksów statystycznych