ANALIZA UKŁADU ZASILANIA MAŁEJ ELEKTROWNI WODNEJ

Transkrypt

1 Prace Nauowe nstytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Eletrycznych Nr 65 Politechnii Wrocławsiej Nr 65 Studia i Materiały Nr Bogusław KAROLEWSK* Wadim STOCHMAŁEK** eletroenergetya, małe eletrownie wodne, obliczenia, sieci nisiego napięcia, odnawialne źródła energii ANALZA UKŁADU ZASLANA MAŁEJ ELEKTROWN WODNEJ Na przyładzie małej eletrowni wodnej wyposażonej w trzy generatory inducyjne o sumarycznej mocy rzędu 60 W, poazano sposób wyznaczania parametrów eletrycznych uładu. Przyjęto schemat wycina sieci nn, do tórego przyłączona jest eletrownia. Wyznaczano obciążenia poszczególnych odcinów sieci i spadi napięć. Analizowano wartości prądów zwarcia trójfazowego i jednofazowego na szynach eletrowni. Wyonane obliczenia pozwalają ocenić wpływ eletrowni na sieć, do tórej została przyłączona. 1. WPROWADZENE Małe eletrownie wodne (MEW) należą do odnawialnych źródeł energii (OZE). ch podstawowe zalety, to możliwość (przynajmniej rótoterminowego) planowania producji energii, szybie uruchamianie i zatrzymywanie, możliwość pracy w godzinach szczytu i małe problemy związane z utrzymaniem i esploatacją eletrowni. Kluczowym momentem związanym z rozwojem małej energetyi był ro 1981, w tórym podjęto uchwałę o dopuszczaniu do realizacji oraz użytowania MEW o mocy do 5MW przez osoby fizyczne oraz podmioty gospodarcze spoza energetyi zawodowej. Na dodate załadom energetycznym naazano doonywać zaupu wyproduowanej energii eletrycznej. Dzięi powyższym udogodnieniom tematya MEW stała się bardzo atracyjna. Profity przyciągają inwestorów, a przyrost liczby obietów nie będących własnością energetyi osiąga nawet iladziesiąt MEW rocznie. Jednym z ograniczeń rozwoju MEW jest onieczność doonywania analizy wpływu eletrowni na sieć energetyczną w miejscu przyłączenia. W artyule poazano sposób wyonania głównej części taiej oceny dla przyładowej eletrowni. * Politechnia Wrocławsa, nstytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Eletrycznych, ul. Smoluchowsiego 19, Wrocław, boguslaw.arolewsi@pwr.wroc.pl ** Dyplomant nstytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Eletrycznych.

2 57. DANE OBEKTU W sład przyładowego obietu MEW wchodzą: jaz piętrzący, anał doprowadzający wodę o długości 40 metrów, budyne eletrowni oraz anał odprowadzający wodę o łącznej długości 90 metrów. Analizowany obiet jest eletrownią przepływową o spadzie H 4 m. Zainstalowano w niej trzy generatory inducyjne latowe, napędzane turbinami wodnymi lewarowymi, tóre pracują poprzez sieć nisiego napięcia równolegle z siecią rozdzielczą. Zastosowano trzy oddzielne turbozespoły, gdyż moc znamionowa transformatora wynosi tylo 100 VA. Moc maszyny inducyjnej nie powinna przeraczać 0% mocy transformatora, aby spade napięcia w sieci w czasie rozruchu nie przeraczał 10%. Zwięsza to również elastyczność pracy eletrowni przy różnych przepływach wody. Parametry projetowe MEW: spad H 4,0 m, przeły masymalny Q 3,0 m 3 /s, przeły masymalny ażdej z turbin Q t 1,0 m 3 /s, obroty nominalne turbiny n t 654 obr/min, sprawność turbiny η t 93%, sprawność przeładni η p 96%, sprawność generatora nr 1 i η gen1, 84%, sprawność generatora nr 3 η gen3 79%, sprawność uładu wyprowadzenia mocy η s 98%, wyorzystano dwa generatory typu SKg00L6B, tóre jao silnii mają moc znamionową po W, prędość 981 obr/min, prąd znamionowy 43 A, sprawność 84%, a współczynni mocy 0,88. Przy pracy prądnicowej prędość znamionowa wynosiła n ng 1019 obr/min, a moc wyznaczono w p. 3: trzeci generator typu Sf160L8, jao silni ma moc znamionową 7,5 W, prędość 710 obr/min, prąd znamionowy 17,7 A, sprawność 79%, a współczynni mocy 0,78. Przy pracy prądnicowej prędość znamionowa n ng 790 obr/min. 3. OBLCZENA PARAMETRÓW ELEKTRYCZNYCH 3.1. OBLCZANE MOCY GENERATORÓW NDUKCYJNYCH SKG00L6B [5] Moc czynna generowana bez udziału baterii ondensatorów: PG 1, 3 U N N cosϕ ,88 6, W Moc bierna pobierana z sieci bez udziału baterii ondensatorów: QG1, 3 U N N sinϕ ,47 14,00 Var (1) ()

3 58 Moc czynna generowana z udziałem baterii ondensatorów, ompensujących współczynni mocy do 0,94: PG 1, 3 U N N cosϕ ,94 8,00 W (3) Moc bierna pobierana z sieci z udziałem baterii ondensatorów: QG1, 3 U N N sinϕ ,34 10,13 Var (4) 3.. OBLCZANE MOCY GENERATORA NDUKCYJNEGO SF160L8 Moce wylicza się podobnie ja w puncie SUMARYCZNE MOCE CZYNNE BERNE Moc czynna generowana bez udziału baterii ondensatorów: P G G3 PG 1, + P ( 6,) + 9,44 61,88 W (5) Moc bierna pobierana z sieci bez udziału baterii ondensatorów Q G G3 QG1, + Q ( 14,00) + 7,85 35,85 Var (6) Moc czynna generowana z udziałem baterii ondensatorów: P G G3 PG 1, + P ( 8,00) + 11,53 67,53 W (7) Moc bierna pobierana z sieci z udziałem baterii ondensatorów: Q G G3 QG1, + Q (,13) + 4,17 4,43 Var (8) 3.4. OBLCZANE SPRAWNOŚC GENERATORÓW NDUKCYJNYCH [5] W przypadu generatorów SKg00L6B: η P N 0,84 (9) 3 U cosϕ ,88 W przypadu generatorów Sf160L8: η P N 7,5 0,79 (10) 3 U cosϕ ,7 0,77

4 59 Moc surowa turbiny P s : 3.5. WYZNACZANE MOCY TURBNY [5] P s t u 9,81 Q H 9, ,4 W (11) Moc użyteczna turbiny P u : P 9,81 Q H η 9, ,93 36,49 W (1) u t u t Dla generatorów SKg00L6B: 3.6. OBLCZANE PRZEŁOŻENA PRZEKŁADN [5] nt 654 i 0,64 (13) n 1019 g Dla generatora Sf160L8: nt 654 i 0,83 (14) n 790 g 3.7. WYZNACZANE SPRAWNOŚC HYDROZESPOŁU [5] W przypadu dwóch maszyn SKg00L6B: ηtz1, ηt ηe1, ηp 0, 93 0, 84 0, 96 0, % W przypadu maszyny Sf160L8: ηtz3 ηt ηe3 η p 0,93 0,79 0,96 0,71 71 % (15) (16) 4. ANALZA WARUNKÓW NAPĘCOWYCH W MEJSCU PRZYŁĄCZENA ELEKTROWN Analiza połączenia z systemem eletroenergetycznym została przeprowadzona bez uwzględniania baterii ondensatorów. Obliczenia wyonano dla przypadu znamionowej pracy wszystich 3 generatorów. Na rysunu 1 przedstawiono schemat obwodu, wyorzystany do analizy spadów napięć.

5 60 Stacja Tr 15/0,4V S100VA u %4% ZK1 l3m OW 4x95mm l700m xyaky 4x185mm R1.4 AA l1,5m OW 4x95mm l15m OW 4x95mm AA1 3G ~ G ~ R t8mω t57,55mω Z t64, OW 4x95mm 1G ~ Rys. 1. Schemat obwodu do analizy spadów napięć Fig. 1. Scheme for the analysis of voltage drops 4.1. SPADK NAPĘĆ W SEC NN NA ODCNKU MĘDZY PRZYŁĄCZEM KABLOWYM R1.4 A STACJĄ TRANSFORMATOROWĄ Rozważany odcine linii słada się z równoległych abli YAKY o przeroju 185 mm oraz abla OW 4 95 mm. Sumaryczny prąd obciążenia generatorów 1 i : + 86,0 A (17) G1, G1 G Sładowa czynna prądu obciążenia generatorów 1 i : G, cz G 1, cosϕ 1 86,0 0,88 1 Sładowa bierna prądu obciążenia generatorów 1 i : G, b G 1, sinϕ 1 86,0 0,47 1 Prąd obciążenia generatora G3 17,7 A Sładowa czynna prądu obciążenia generatora 3: G cz G 3 cosϕ 17,7 0,77 Sładowa bierna prądu obciążenia generatora 3: 3 G b G 3 sinϕ 17,7 0,64 Suma sładowych czynnych prądu obciążenia: 3 cz G cz 75,68 A 40,4 A 13,63 A 11,33 A 1,cz + G3 75, ,63 89,31 A Suma sładowych biernych prądu obciążenia: 40,4 + 11,33 b G1,b + G3b 51,75 A (18) (19) (0) (1) () (3)

6 61 Wypadowy prąd obciążenia: w cz + b (89,31) + (51,75) 103, A (4) Wypadowy współczynni mocy: PNG1 + PNG + PNG3 6, + 6, + 9,44 cosϕw 0, 87 sin ϕ w 0, 49 (5) 3 U , Reatancja równoległych abli: N w 1 0,5 j l 0,5 0, ,08 Ω (6) j reatancja jednostowa przewodów [mω/m], l długość abla [m]. Wartość reatancji jednostowej j dla abli nn to 0,08 mω/m ([3] str. 155). Rezystancja równoległych abli: 0,5 l 0,5 700 γ s R 1 0,057 Ω (7) γ ondutywność żyły [m/ω*mm ], dla aluminium 33 ([3] str. 155), s przerój żyły [mm ]. Reatancja abla OW 4 95 mm, l 3 m: j l 0,08 3 0,0004 Ω (8) Rezystancja abla OW 4 95 mm : l 3 γ s R 0,00056 Ω (9) γ ondutywność materiału żył [m/ω mm ], dla miedzi 56 ([3] str.155), s przerój żyły [mm ]. Sumaryczna reatancja analizowanego odcina: 1 + 0,08 + 0,0004 0,08 Ω (30) Sumaryczna rezystancja analizowanego odcina: R 0, ,00056 R1 + R 0,0576 Ω (31)

7 6 Spade napięcia na odcinu stacja transformatorowa przyłącze ablowe R1.4 []: ΔU % 3 0 U N f w ( ± R cosϕ + sinϕ ) 3 0 3, ( 0,0576 0,87 + 0,08 0,49),8 % 30 w w (3) 4.. SPADK NAPĘĆ NA ODCNKU MĘDZY PRZYŁĄCZEM KABLOWYM R1.4 A ROZDZELNĄ AA Rozważany odcine słada się z abla OW 4 95 mm o długości l 1,5 m. Reatancja abla OW 4 95 mm : 3 j l 0,08 1,5 0,0001 Ω (33) Rezystancja abla OW 4 95mm : l 1,5 R 3 0,0008 Ω (34) γ s γ ondutywność materiału żył [m/ω mm ], dla miedzi 56 ([3] str.155), s przerój żyły [mm ]. Spade napięcia na odcinu między przyłączem ablowym R1.4 a rozdzielnią AA []: 3 0 ΔU % 3 w ( ± R 3 cosϕw + 3 sinϕw) U N f 3 0 3, ( 0,0008 0,87 + 0,0001 0,49) 0,01% 30 (35) 4.3. SPADK NAPĘĆ NA ODCNKU MĘDZY ROZDZELNĄ AA A ROZDZELNĄ AA1 Rozważany odcine słada się z abla OW 4 95 mm o długości l 15 m. Reatancja abla OW 4 95 mm : Rezystancja abla OW 4 95 mm : 4 l 0, ,001 Ω j l 15 γ s R 4 0,008 Ω (36) (37)

8 63 γ ondutywność materiału żył [m/ω mm ], dla miedzi 56 ([3] str.155), s przerój żyły [mm ]. Spade napięcia na odcinu między rozdzielnią AA a rozdzielnią AA1 []: 3 0 ΔU % 4 w ( ± R 4 cosϕw + 4 U N f sinϕ ) 3 0 3, ( 0,008 0,87 + 0,001 0,49) 0,14 % 30 w (38) 4.4. SPADK NAPĘĆ NA ODCNKU MĘDZY ROZDZELNĄ AA A ROZDZELNĄ AA1 Rozważany odcine słada się z abla OW 4 16 mm o długości l 5 m. Prąd obciążenia generatora G1: PN 3 U cosϕ 6, G ,88 N 43,0 A (39) Reatancja abla OW 4 16mm : 5 j l 0,08 5 0,0004 Ω (40) Rezystancja abla OW 4 16mm : l 5 R 5 0,0056 Ω (41) γ s γ ondutywność materiału żył [m/ω mm ], dla miedzi 56 ([3] str.155), s przerój żyły [mm ]. Spade napięcia na odcinu między rozdzielnią AA a najdalej położonym generatorem G1 []: 3 0 ΔU % 5 G1 ( ± R 5 cosϕ1 + 5 sinϕ1) U N f ( 0,0056 0,88 + 0,0004 0,47) 0,15 % 30 Sumaryczny spade napięcia między generatorem G1 a stacją transformatorową wynosi (spadi napięć w rozważanym uładzie można sumować algebraicznie): (4)

9 64 ΔU % ΔU % + ΔU % 3 + ΔU % 4 + ΔU % 5 (,8) + ( 0,01) + ( 0,14) + ( 0,15),1 % (43) 5. OBLCZENA ZWARCOWE 5.1. ZWARCE TRÓJFAZOWE NA SZYNACH ZBORCZYCH ROZDZELN AA1 Wartość impedancji systemu: Z q q 1,1 U S N 1, ,018 Ω gdzie S moc zwarciowa [VA], przyjęto S 10 MVA. Rezystancja zastępcza obwodu zwarciowego: R q 0 Ω, R t 0,08 Ω (45) (44) R l R R + R 3 + R 4 0, , ,008 0,061 Ω z Rq + Rt + Rl 0 + 0,08 + 0,061 0,089 Ω (46) (47) gdzie R t przyjęto na podstawie [3] str. 46 tab... Reatancja zastępcza obwodu zwarciowego: q 0,018 Ω, t 0,058 Ω (48) l ,08 + 0, ,001 0,030 Ω z q + t + l 0, , ,030 0,106 Ω (49) (50) gdzie t przyjęto na podstawie [3] str. 46 tab... mpedancja zastępcza obwodu zwarciowego: Z z Rz + z 0, ,106 0,138 Ω (51) Prąd początowy dopływający od systemu przy trójfazowym zwarciu symetrycznym na szynach rozdzielni AA1: c U 3 Z N 3 z 3 0,138 1,67 A gdzie c współczynni napięciowy (dla U N 400 V, c 1 wg [3] tab..1, str. 44). (5)

10 ZWARCE JEDNOFAZOWE NA SZYNACH ZBORCZYCH ROZDZELN AA1 Rezystancja zastępcza zgodna: R + 1,4 R 0 + 0,08 + 1,4 0,061 z1 Rq + Rt l Reatancja zastępcza zgodna: + 0, , ,030 z1 q + t l 0,18 Ω 0,14 Ω (53) (54) mpedancja zastępcza zgodna obwodu zwarciowego: z z z Z 1 R ,18 + 0,14 0,3 Ω (55) Najmniejsza spodziewana wartość prądu zwarcia jednofazowego z ziemią: 0,95 U Z 0, ,3 N f 1 z1 950 A Wartość prądu zwarciowego jest dostatecznie duża do uzysania poprawnego działania zabezpieczeń. (56) 6. OBCĄŻALNOŚĆ DŁUGOTRWAŁA Obciążalności poszczególnych odcinów sieci wynoszą [4]: Kabla YAKY mm w osłonie ablowej w ziemi wynosi 00 A w temperaturze otoczenia 0 C. Prąd obciążenia w 103, A, więc przerój jest wystarczający; Przewodu OW 4 95 mm w rurze instalacyjnej wynosi 07 A w temperaturze otoczenia 0 C. Prąd obciążenia w 103, A, więc przerój jest wystarczający; Przewodu OW 4 16 mm w rurze instalacyjnej wynosi 68 A w temperaturze otoczenia 0 C. Prąd obciążenia G1, 43 A, więc przerój jest wystarczający; Przewodu OW 4 10 mm w rurze instalacyjnej wynosi 50 A w temperaturze otoczenia 0 C. Prąd obciążenia G3 17,7 A, więc przerój jest wystarczający. 7. PODSUMOWANE Wszystie analizowane przypadi mieszczą się w granicach norm. Należy jeszcze sprawdzić poprawność nastawień zabezpieczeń pracujących w analizowanym uładzie. Gdyby z sieci nn, do tórej podłączona jest eletrownia, byli zasilani inni od-

11 66 biorcy, to należałoby również obliczyć zmiany poziomu napięcia wywoływane załączeniem i wyłączeniem eletrowni. W analizowanym przypadu moc eletrowni jest ta mała, że nie potrzeba sprawdzać zmiany poziomu mocy zwarciowej w miejscu przyłączenia. Eletrownia nie należy do tzw. źródeł niespoojnych, więc nie potrzeba badać problemu migotania światła. Nie generuje harmonicznych. Natomiast należy przeanalizować sposób łączenia generatorów z systemem czy nie jest onieczny rozruch silniowy i w taim przypadu sprawdzić czy spadi napięć wywoływane przez maszyny nie przeraczają 10%. LTERATURA [1] DOŁĘGA W., KOBUSŃSK M., Projetowanie instalacji eletrycznych w obietach przemysłowych. Zagadnienia wybrane, Oficyna Wydawnictwa Politechnii Wrocławsiej, Wrocław 009. [] KAROLEWSK B., LGOCK P., Analiza połączenia małej eletrowni wodnej z systemem eletroenergetycznym, Wiadomości Eletrotechniczne, 5/005. [3] MARKEWCZ H., nstalacje eletryczne, WNT, Warszawa 005. [4] PN-EC :001: nstalacje eletryczne w obietach budowlanych. [5] Praca zbiorowa pod red. M. Hoffmana, Małe eletrownie wodne, poradni, Wydawnictwo Nabba, Warszawa 199. [6] ROJEWSK W., SOBERAJSK M., Waruni pracy małej eletrowni wodnej z generatorem inducyjnym w sieci średniego napięcia, Wiadomości Eletrotechniczne, 9/004. ANALYSS OF SMALL WATER POWER STATON SUPPLYNG SYSTEM Method of determine the electrical parameters of the system on example of small hydro power plant equipped with three induction generators with a total power of 60 W, was shown. Adopt scheme of low voltage electrical networ sector for which power station is include. Loads of sections of networ and voltage drops were determined. Analyze the three-phase and single-phase short circuit currents on the busbar system of the plant. The calculations allow to evaluate influence of power station on the networ to which it was attached.