Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ. Ćwiczenie nr 5

Transkrypt

1 Kierunek Elektrotechnika sem. VI LABORATORIUM TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ Ćwiczenie nr 5 Podstacja trakcyjna źródło wyższych harmonicznych w systemie elektroenergetycznym

2 1.Wprowadzenie Niezawodna dostawa energii elektrycznej o właściwej jakości jest podstawowym zadaniem stawianym układom elektroenergetycznym. Jakość energii elektrycznej jest wynikiem lub zbiorem cech jakościowych napięcia i prądu elektrycznego. Jakość energii ma istotne znaczenie w procesie przetwarzania energii elektrycznej na inne bezpośrednio użytkowane postacie energii. Cechami jakościowymi energii elektrycznej prądu przemiennego w określonym punkcie układu elektroenergetycznego są przede wszystkim: - częstotliwość napięcia i prądu, - poziom napięcia, - symetria napięć i prądów, -kształt przebiegu czasowego wartości chwilowych napięcia i prądu. Cechy te są znormalizowane. Odchylenia wartości rzeczywistych tych wielkości od ich wartości znamionowych są zwykle nazywane parametrami jakości energii elektrycznej, a w odniesieniu tylko do napięcia -parametrami jakości napięcia. Parametrami jakości napięcia są w szczególności: -odchylenia i wahania częstotliwości napięcia, - odchylenia i wahania napięcia, - asymetria napięć oraz niesinusoidalność napięcia. Istotnym parametrem, któremu należy poświęcić szczególną uwagę, jest kształt krzywej napięcia, odgrywający decydującą rolę w poprawnej pracy odbiorców.. Wyższe harmoniczne prądu i napięcia w zespołach prostownikowych Konwersja napięcia przemiennego w napięcie wyprostowane przez zespoły prostownikowe wiąże się z generowaniem wyższych harmonicznych w prądzie przemiennym sieci zasilającej oraz wyższych harmonicznych w napięciu wyprostowanym. Prądy wyższych harmonicznych J n (n rząd wyższej harmonicznej), przepływające w systemie elektroenergetycznym powodują dodatkowe spadki napięć na elementach U n, wynoszące dla impedancji sieci dla danej harmonicznej Z n : U n = Z n * J n Te spadki napięć decydują o stopniu odkształcenia napięcia od przebiegu sinusoidalnego. Odkształcenie napięcia oddziałuje szkodliwie na zasilane odbiorniki m.in.: przyśpieszenie procesów starzenia izolacji maszyn elektrycznych, dodatkowe straty w kondensatorach, powstawanie w

3 maszynach momentów pasożytniczych(powodujących wibrację i kłopotliwych przy rozruchu), błędy mierników, liczników, niewłaściwą pracę urządzeń telekomunikacyjnych, zakłócenia obrazu telewizyjnego. Z wyżej wymienionych powodów konieczne jest określenie znajomości podstawowych zależności umożliwiających określeniu rzędu i wartości harmonicznych występujących w różnych układach prostowniczych, tak aby już na etapie projektu wstępnego sprawdzić zgodność układu zasilającego z obowiązującymi normami. Miarą odkształcenia krzywej napięcia od sinusoidy jest zawartość wyższych harmonicznych widmo częstotliwościowe oraz ich amplitudy. Rzędy charakterystycznych harmonicznych są uzależnione od współczynnika tętnień zespołu prostownikowego: n = c * p ± 1(1) gdzie c N, p liczba pulsów (6,1, ) Częstotliwość tych harmonicznych są wielokrotnościami częstotliwości harmonicznej podstawowej: f n = n * f 1 () W widmie prądu pobieranego przez podstację pojawić się mogą także harmoniczne niecharakterystyczne. Powstają one na skutek odkształcenia napięcia zasilającego, dynamicznych zmian parametrów obciążenia, nieidealnych charakterystyk zaworów oraz niesymetrii układu. Rzędy wartości amplitud są trudne do analitycznego wyznaczania, a więc przyjmuje się, że ich udział w prądzie prostownika sześciopulsowego wynosi 5 ± 0%. Najczęściej stosowanym układem wśród pracujących jednostek prostownikowych jest układ mostka trójfazowego zasilanego z transformatora (rysunek 1). Teoretyczny przebieg prądu linii zasilającej ten zespół przedstawiono na rysunku.. 3

4 Przebieg tego prądu zależy od następujących parametrów: kąta komutacji u, prądu wyprostowanego J d,, i przekładni transformatora υ: Rys 1. Układ połączeń mostka trójfazowego zasilanego z transformatora Yd J d υ 3 1+ cos( u) cos( ωt) 1 cosu dla 0 < ωt < u J d υ 3 π dla u < ωt < 3 Rys. Teoretyczny przebieg prądu w linii elektroenergetycznej zasilającej zespół prostownika w układzie przedstawionym na rysunku 1 J cos( u) cos( ωt π / 3) π π d dla < ωt < + u (3) υ 3 1 cosu 3 3 4

5 J d π π dla + u < ωt < (4) υ J 1 cos( u) + cos( ωt π / 3) π π d dla < ωt < + u (5) υ 3 1 cosu 3 3 J d υ 3 π dla + u < ωt < π (6) 3 Przenoszenie obciążenia z poszczególnych diod prostownika czyli komutacja, nie przebiega skokowo, lecz odbywa się w pewnym czasie ze względu na indukcyjność obwodu. Okres ten nazywamy kątem komutacji u (rys. ). Pomiędzy prądem wyprostowanym J d i kątem komutacji u zachodzi następująca zależność: J d = U π (1 cos u)sin p (7) X t U napięcie strony wtórnej transformatora Xt reaktancja rozproszenia przypadająca ma jedną fazę transformatora p współczynnik charakteryzujący układ połączeń zespołu (dla mostka trójfazowego równy 6) Powyższe wzory dają nam możliwość wyznaczenia przebieg prądu i R zależny parametrów zespołu i kąta komutacji. Analizowany przebieg jest antysymetryczny, więc do opisu analitycznego wystarczy opis przebiegu w zakresie od 0 do π. Rozkład w szereg Fouriera takiej funkcji o nieskończonej liczbie n harmonicznych ma postać: ir ( t) = C n= 1 n cos( nω t + ϕ ) (8) W praktyce rząd najwyższej harmonicznej jest skończony, zależnie od szybkości zbieżności szeregu. Rysunek 3 przedstawia zależność względnych amplitud wyższych harmonicznych w funkcji kąta komutacji. n 5

6 Rys. 3 Udział amplitud wyższych harmonicznych (wartości względne) prądu w linii elektroenergetycznej zasilającej zespół prostownikowy o układzie połączeń z rysunku. 3. Metodyka obliczeń Dla typowego układu sieci zasilającej podstacje trakcyjne obliczenia wskaźnika odkształcenia napięcia można przeprowadzić schematów zastępczych [1]. Obliczenia prowadzimy dla jednofazowych schematów zastępczych dla każdej wyższej harmonicznej, przeliczonych na poziom napięcia odniesienia np. 110 kv. Typowy układ zasilania podstacji i odpowiadający mu schemat zastępczy przedstawione są na rysunku 4 i 5. Rys. 4 Typowy schemat zasilania podstacji trakcyjnej z sieci elektroenergetycznej 6

7 Rys. 5 Schemat zastępczy (dla n tej harmonicznej) układu zasilania z rysunku 4. Poszczególne impedancje schematu zastępczego liczymy według następujących wzorów: linia elektroenergetyczna Z Ln = ( R0l n + jnx 0 ) V R 0, X 0 rezystancja i reaktancja jednostkowa linii [W/km] L - długość linii V przekładnia napięcia (9) transformator WN/ŚN U 3 Z Tn = PCu (,5 + 0,01n ) *10 + S zn u z% U jn 100* S zn zn (10) S zn znamionowa moc transformatora [MVA] U napięcie odniesienia [kv] P Cu znamionowe straty obciążeniowe [kw] u z% - procentowe napięcie zwarcia odbiory nieatrakcyjne U Z ODBn = ( P n + P + U U napięcie odniesienia [kv] jnq)(11) P,Q - moc czynna i bierna odbioru nieatrakcyjnego [MW, Mvar] system elektroenergetyczny 7

8 Z SEn = 1,1 U S zw110 (0,1 n(1) Moc zwarciową na szynach 110 kv wyznaczamy ze wzoru: X SE110 = X 1,1 U S zw110 = (13) X SE15 X T SE110 1,1U U u z% = (14) S 100S Następnie wyznaczamy wymuszenie prądowe dla n- tej harmonicznej J n przeliczone na poziom napięcia odniesienia: P J n = 3U P moc podstacji trakcyjnej [MW] n % - względna wartość amplitudy harmonicznej wyznaczona dla kąta komutacji U napięcie odniesienia [kv] n % zw15 (15) zn Obliczenia powtarzamy dla każdej harmonicznej i wskaźniki odkształcenia napięcia w węźle wyznaczamy według poniższego wzoru: THD U= υ = υ i 100[%](16) i υ i - względne wartości napięcia i tej harmonicznej w danym węźle i sieci w odniesieniu do harmonicznej podstawowej υ 1 - (i=5, 7, 11, 13, 17, 19, 3, 5) THD U Total Harmonic Distortion (współczynnik odkształceń nieliniowych), współczynnik stanowiący typowy parametr oceny jakości napięcia zasilającego U, wyrażany w % napięcia pierwszej harmonicznej υ Normy i przepisy dotyczące odkształceń napięcia W wielu krajach wprowadzono limity zawartości wyższych harmonicznych υ 1 - oraz określiło dopuszczalny poziom odkształceń THD U. W Polsce zgodnie z [] dla sieci o napięciu znamionowym 1 < U n < 110 [kv] limity harmonicznych υ i i całkowitego współczynnika odkształceń THD U wynoszą: 8

9 Tabela 1. Limity harmonicznych w sieciach o 1 kv < U n < 110 kv Harmoniczne nieparzyste Nie będące krotnością 3 Będące krotnością 3 Rząd Rząd harmonicznej harmonicznej (h) Wartość względna napięcia U h (% harmonicznej podstawowej) Wartość względna Harmoniczne parzyste Rząd harmonicznej (h) Wartość względna napięcia U h (w procentach harmonicznej podstawowej) , ,5 15 0,5 > 4 0, > 15 0, ,5 3 1,5 5 1,5 a współczynnik odkształcenia harmonicznymi napięcia zasilającego THD U, uwzględ-niający wyższe harmoniczne do rzędu 40 powinien być mniejszy lub równy 8%. 9

10 Natomiast limity dla sieci o napięciu U n >= 110 [kv] limity są następujące: Tabela. Limity harmonicznych w sieciach o U n > 110 kv Harmoniczne nieparzyste Nie będące krotnością 3 Będące krotnością 3 Wartość Rząd względna harmonicznej napięcia U h (% harmonicznej podstawowej) Rząd harmonicznej (h) Wartość względna Harmoniczne parzyste Rząd harmonicznej (h) Wartość względna napięcia U h (w procentach harmonicznej podstawowej) , , ,5 15 0,5 > 4 0,5 13 1,5 > 1 0, ,7 5 0,7 > 5 5 0, + *0,5 h a współczynnik odkształcenia harmonicznymi napięcia zasilającego THD U, uwzględniający harmoniczne do rzędu 40, powinien być 3%. 5. Metody ograniczania odkształcenia napięcia Jeżeli w wyniku obliczeń dokonanych np. według schematu w punkcie 3, przekraczają dopuszczalne wartości określone normą, należy opracować metody ograniczenia zawartości wyższych harmonicznych w systemie. Jedną z takich metod może być wymiana zespołów prostownikowych sześciopulsowych na dwunastopulsowe (kosztowne). Jeżeli nie jest to możliwe, należy rozważyć zwiększenie mocy zwarciowej na szynach zasilających poprzez zespoły trakcyjne. W stacji energetycznej typowo są dwa transformatory, z których jeden stanowi rezerwę. Załączenie drugiego transformatora zwiększy niemalże dwukrotnie moc zwarciową i tym samym odkształcenie napięcia. Kolejnym, również kosztownym i dosyć kłopotliwym w realizacji rozwiązaniem, może być wymiana transformatora WN/SN na transformator o większej mocy. W przypadku dużych odkształceń lepiej rozważyć zasilanie podstacji z wysokiego napięcia (transformacja jednostopniowa). Kolejnym sposobem może być zasilanie podstacji z wydzielonego transformatora, jednakże ze względu na koszty, to rozwiązanie musi mieć solidne techniczne i ekonomiczne uzasadnienie. 10

11 Inną metodą zmniejszenia odkształcenia napięcia jest stosowanie filtrów rezonan-sowych wyższych harmonicznych lub filtrów aktywnych. 6. Opis programu HARMS Program HARMS dokonuje obliczeń odkształceń w węzłach systemu elektroenergetycznego, którego schemat przedstawiono na rysunku 4. Algorytm obliczeń został opisany w rozdziale 3. Po uruchomieniu programu (plik HARMS.EXE) na monitorze pojawia się główne okno programu (rysunek 6). 11

12 Rys. 6 Okno główne programu HARMS 1

13 Dane, jakie użytkownik podaje do programu są następujące: Napięcie WN [kv] napięcie odniesienia, do którego poziomu przeliczane są impedancje poszczególne elementy systemu (np. 110kV). Moc transformatora [MVA] znamionowa moc transformatora WN/SN zainstalowanego w GPZ. W programie wbudowane są parametry pięciu spotykanych w praktyce transformatorów, więc po wybraniu jednego z nich nie ma potrzeby wpisywania strat obciążeniowych i procentowych napięć zwarcia. Straty obciążeniowe [kw] straty w uzwojeniach transformatora Napięcie zwarcia [%] Procentowe napięcie zwarcia transformatora WN/SN Napięcie SN [kv] średnie napięcie GPZ. Moc zwarcia S zwsn [MVA] moc zwarcia na szynach średniego napięcia. Należy pamiętać, iż dla danej konfiguracji systemu moc zwarciowa jest ograniczona. Dopuszczalne wartości zamieszczone są w tabeli 3. Jeżeli wartość podana przez użytkownika przekroczy dopuszczalny poziom, to program zgłosi błąd i obliczenia nie będą wykonane. Tabela 3. Dopuszczalne poziomy mocy zwarciowej na szynach SN Moc transformatora [MVA] Maksymalna moc zwarcia S zwsn na szynach średniego napięcia Przy zmianach parametrów transformatora WN/ŚN w GPZ, moc zwarcia S zw15, którą podajemy jako daną do programu na szynach SN należy przeliczyć ponownie według wzorów: gdzie: 1,1* U S zw15 = X SE15 X = XT + X (17) SE15 SE110(18) 13

14 XT reaktancja nowego transformatora (10) (po zmianie), X SE110 reaktancja systemu (14), stała, obliczona dla pierwotnej konfiguracji systemu, X SE110 = X SE15 XTs (19) XTs- reaktancja pierwotnego transformatora o mocy S zns (wg (10)): XTs=0.01 u zw% U /S zns (0) Moc [MW] Moc czynna odbiorów nietrakcyjnych, zasilanych z tego samego GPZ, co podstacja. Współczynnik mocy [-] współczynnik mocy odbiorów nietrakcyjnych. Ma zawierać się w przedziale <0;1>, w przeciwnym wypadku program zgłosi błąd i obliczenia nie będą wykonane. Moc baterii kondensatorów [MVar] - moc baterii do kompensacji mocy biernej. Jeżeli bateria jest zainstalowana, dla każdej harmonicznej sprawdzane jest, czy nie zachodzi niebezpieczeństwo rezonansu w obwodzie z baterią kondensatorów. Rząd harmonicznej, dla której może wystąpić rezonans, określony jest ze wzoru []: n = rez S zw15 Q C (19) gdzie: S zw15 moc zwarcia na szynach średniego napięcia [MVA] Q C moc baterii kondensatorów [Mvar] W przypadku wystąpienia rezonansu, użytkownik otrzymuje informację i obliczenia są dalej kontynuowane. Indukcyjność [H] Aby zapobiec zjawisku powstania rezonansu, można połączyć szeregowo z baterią kondensatorów dławik tłumiący. Indukcyjność powinna być tak dobrana, aby obwód miał charakter pojemnościowy dla harmonicznej podstawowej, a dla wyższej indukcyjny. Przykładowo, w podstacji trakcyjnej z prostownikami sześciopulsowymi reaktancje dławika i baterii kondensatorów powinny spełniać zależność [1]: X C X L > (0) 5 14

15 Parametry linii: rezystancja i reaktancja jednostkowa [Ω/km] oraz długość linii [km]. Program ma wbudowane parametry reaktancji i rezystancji typowych linii zasilających, które można wybrać z listy. Typ i liczba zespołów prostownikowych sześciopulsowe albo dwunastopulsowe Moc 15 minutowa [MW] Moc podstacji liczona na podstawie zastępczego prądu 15 minutowego Filtr po stronie prądu stałego w programie są wbudowane macierze widma wyższych harmonicznych w funkcji kąta komutacji oraz obecności filtru po stronie prądu stałego. Należy pamiętać, aby format danych był liczbowy. Wszystkie pola (oprócz indukcyjności i baterii kondensatorów) muszą być wypełnione. Wartości (oprócz pewnych zastrzeżeń wymienionych powyżej) muszą być dodatnie. Separatorem w liczbach jest przecinek. Dane można zapisać do pliku, jak również wczytać z pliku przyciski Zapisz dane oraz Wczytaj dane. Rys 7. Plik z danymi do programu HARMS Po prawidłowym wpisaniu danych, należy wybrać węzeł do obliczeń. Następnie należy kliknąć przycisk Wykonaj obliczenia. Jeżeli nie wystąpi błąd podczas obliczeń, to użytkownik otrzymuje wyniki w formie tekstowej zestawione w tabeli (Rys. 7) i graficznej (Rys. 8). Do wywołania tabeli oraz wykresów służą przyciski Pokaż wyniki oraz Pokaż wykresy. 15

16 Rys. 8 Zestawione wyniki obliczeń w programie HARMS Rys 9 Graficzna prezentacja wyników w programie HARMS niebieskie słupki oznaczają wartości obliczone, czerwone linie limity określone normami. 16

17 Wyniki z tabeli można wydrukować (przycisk Drukuj ), zapisać do pliku ( Zapisz ) i skopiować do schowka uprzednio należy zaznaczyć myszką zakres komórek. Forma graficzna wyników przedstawiona jest na rysunku 8. Po wybraniu interesującego wykresu (okno Wybierz wykres ), analogicznie jak przy tabeli, za pomocą odpowiednio przycisku wykres można zapisać do pliku (format BMP), skopiować do schowka oraz wydrukować. 7. Przebieg ćwiczenia. Należy wykonać ćwiczenie wg polecenia otrzymanego od prowadzącego. 8. Przykładowe pytania sprawdzające 1. Proszę podać parametry charakteryzujące jakość dostarczanej energii elektrycznej.. Dlaczego podstacje trakcyjne nazywane są odbiorami zakłócającymi? 3. Jakie harmoniczne charakterystyczne prądu pobiera z sieci zasilającej podstacja trakcyjna z prostownikami 6-ścio, a jaka z 1-stopulsowymi? 4. Jak zależy amplituda danej harmonicznej prądu pobieranego przez prostownik od jej rzędu, a jak od kąta komutacji zaworów w prostowniku? 5. Jakie kryteria stosuje się w celu oceny jakości energii elektrycznej w punkcie przyłączenia do sieci elektroenergetycznej? 6. Co oznacza THD U? 7. Od czego zależy poziom odkształceń nieliniowych w napięcia w danym węźle zasilania elektroenergetycznego? 8. Jakie przepisy określają jakość energii elektrycznej? 9. Czy poziom dopuszczalnych zakłóceń w sieci zależy od poziomu napięcia? Odpowiedź uzasadnić. 10. Jak można zmniejszyć oddziaływanie zakłócające odbiorników? 11. Jakie harmoniczne pobierać będzie z sieci zasilającej podstacja trakcyjna wyposażona w prostowniki mostkowe zasilane z transformatorów o układach połączeń: Yd11 i Yy0? 1. Jakie harmoniczne pobierać będzie z sieci zasilającej podstacja trakcyjna wyposażona w prostowniki mostkowe zasilane z transformatorów o układach połączeń: Yy0 i Yy0? 13. Proszę narysować przebieg prądu pobieranego z sieci zasilającej przez prostownik 6- ściopulsowy. 17

18 9. Literatura [1] J. Wdowiak, L. Mierzejewski, A. Szeląg - Projektowanie układów zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego [] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i Pracy z dnia 0 grudnia 004 roku w sprawie szczegółowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, ruchu i eksploatacji tych sieci. [3]L. Mierzejewski, A. Szeląg, M. Gałuszewski System zasilania trakcji prądu stałego. WPW,