Struktura systemu elektroenergetycznego. Systemy elektroenergetyczne. Wykład 1. Plans Sp. z o.o. Seria: Wykłady

Transkrypt

1 Plns Sp. z o.o. emil:plns@plns.om.pl tel Seri: Wykłdy Systemy elektroenergetyzne Wykłd Autor: dr inż. bigniew dun dr inż. Krzysztof Księżyk mgr inż. Tomsz dun Wrszw, 9

2 Spis treśi..... etody rozwiązywni trójfzowyh obwodów elektryznyh prądu przemiennego...6. Pr ukłdów trójfzowyh..... W stnie symetryznego obiążeni o hrkterze indukyjnym..... W stnie niesymetryznego obiążeni...

3 . Energi elektryzne jest njwygodniejszym w użytkowniu rodzjem energii, w wielu zstosownih jest wprost nie zstępowln. System elektroenergetyzny, porównywny z innymi systemmi gospodrzymi, pełni rolę: wytwóry, trnsportu hurtowego, dystrybuji detliznej z ntyhmistową dostwą do domu n kżde żądnie. Różni go od innyh systemów niemożność mgzynowni produktu, ł produkj jest ntyhmist (nieml) konsumown. Odbiory wpływją wię w trybie ntyhmistowym n wielkość produkji. System elektroenergetyzny (SEE) jest to zespół funkjonlnie połązonyh urządzeń, służąyh do wytwrzni, przesyłu i rozdziłu energii elektryznej. System elektroenergetyzny nie m dużyh możliwośi robieni zpsów - możliwośi mgzynowni energii elektryznej. Produkj energii elektryznej musi wię być dostosown do wymgń odbiorów. Energii elektryznej nie mgzynuje się bezpośrednio, możn jej jednk użyć do mgzynowni innyh nośników energii. Jedynym powszehnie stosownym sposobem mgzynowni jest przetwrznie energii elektryznej n energię potenjlną gromdzoną w zbiornikh wodnyh. Powszehnie stosownym tutj środkiem są elektrownie szzytowo-pompowe, w któryh w godzinh młego zpotrzebowni n energię elektryzną przepompowuje się wodę ze zbiornik dolnego do górnego, w godzinh zwiększonego zpotrzebowni ten sm zespół urządzeń wytwrz energię elektryzną, prują jko elektrowni wodn. Elektrownie szzytowo-pompowe są też powszehnie wykorzystywne interwenyjnie - w przypdku ngłyh ubytków moy wytwrznej w innyh elektrownih. SEE jest sterowny jko łość, lez zrządzny jest przez wiele podmiotów gospodrzyh, finnsowo i dministryjnie niezleżnyh, lez musząyh ze sobą współprowć. SEE krjów sąsidująyh są łązone ze sobą w elu poprwy wrunków pry, tworzą jeden duży system elektroenergetyzny. Ogólną konfigurję SEE przedstwi Błąd! Nie możn odnleźć źródł odwołni.. Większość energii elektryznej jest wytwrzn w elektrownih, gdzie genertory o moh 6 W, W poprzez trnsformtory blokowe dostrzją energię elektryzną do siei przesyłowej: 4 kv i kv, tkże do siei o npięiu kv. Tk wię w jednej elektrowni zinstlowne jest po kilk genertorów kilku gruph, prująyh n różne siei - 4, zy kv. Wykłd

4 Rys... Ogóln konfigurj SEE. Energi elektryzn jest też wytwrzn w elektroiepłownih, le tm moe genertorów są zwykle poniżej W, genertory te dostrzją energię elektryzną poprzez trnsformtory blokowe wyłąznie do siei kv. W dużyh zkłdh przemysłowyh energi elektryzn jest też wytwrzn we włsnyh elektroiepłownih, le zwykle dostrzn bezpośrednio do siei średniego npięi (6 kv). Energetyk przemysłow i młe elektrownie wodne wytwrzją w Polse poniżej 5% energii elektryznej. Energi elektryzn wytwrzn w elektrownih jest przesyłn do odbiorów przez sieć przesyłową. Sieć tą stnowią linie przesyłowe o npięiu 4 kv i kv jk i linie o npięiu kv. Sieć linii 4 kv jest powiązn utotrnsformtormi 44/ kv z sieią linii kv jk też z sieią linii kv - trnsformtormi i utotrnsformtormi 4/ kv. Podobnie sieć linii kv jest powiązn utotrnsformtormi / kv z sieią linii kv. Tk wię siei te prują równolegle, kżd z linii 4 kv i kv zy kv jest rezerwown przez inne linie o tym smym npięiu, tkże przez połązeni sieiowe n innym npięiu. Wynik z tego że energi elektryzn wytwrzn w dnej 4 Wykłd

5 elektrowni może do odbiory płynąć wielom równoległymi połązenimi - zgodnie z prwmi teorii obwodów elektryznyh. Energi elektryzn do siei rozdzielzej średniego npięi jest dostrzn wyłąznie z siei kv poprzez trnsformtory /SN, w siei rozdzielzej przepływ energii elektryznej odbyw się jednokierunkowo, przez linie średniego npięi i trnsformtory SN/nN i linie niskiego npięi (nn) do odbiory. Nleży zznzyć, że w siei średniego i niskiego npięi przepływ energii elektryznej od siei kv do konkretnego odbiory odbyw się przez z góry ustlony ukłd połązeń linii SN, trnsformtorów SN/nN i linii nn - nie m elektryznyh połązeń równoległyh. System elektroenergetyzny hrkteryzuje się z pomoą wielu prmetrów: mo zinstlown w elektrownih, struktur moy zinstlownej, mo szzytow, mo dyspozyyjn, mo njwiększej elektrowni, mo njwiększyh bloków, npięi znmionowe siei, njwyższe npięie siei przesyłowej, struktur siei, njwiększ odległość przesyłu energii elektryznej, struktur moy zpotrzebownej - zmienność dobow, rozn obiążeni. Energi elektryzn dostrzn odbiorom powinn mieć włśiwą jkość. Wskźnikmi jkośi energii elektryznej są: włśiw wrtość npięi n odbiornikh, zęstotliwość, symetri fzow npięć, ksztłt krzywej npięi (zwrtość wyższyh hrmoniznyh THD), bezprzerwowość zsilni (AT, ENS, SAD, SAF i AF ), młe whni npięi (krótkotrwłe), brk zników npięi. Proes dostwy energii elektryznej powinien być prowdzony w sposób rjonlny, to jest tki, który wymg minimlnyh nkłdów przy mksymlizji zysków - sprzedży odpowiedniej ilośi energii elektryznej z zhowniem wszystkih prmetrów jkośiowyh energii elektryznej, zwłszz niezwodnośi zsilni. Nkłdy związne z produkją, przesyłem i rozdziłem energii elektryznej stnowią koszty inwestyyjne (koszty budowy elektrowni, siei, stji i innyh urządzeń elektryznyh) orz koszty eksplotyjne (koszty zkupu węgl i innyh surowów), tkże koszty związne n przykłd z Wykłd 5

6 ztrudnieniem odpowiedniej ilośi personelu, tkże koszty związne ze strtmi podzs przesyłu energii elektryznej od elektrowni do odbiorów. Jk w kżdej dziłlnośi tehniznej występuje tutj podstwow sprzezność między kryterium tehniznym ekonomiznym. większenie wskźników jkośiowyh energii elektryznej wiąże się z dodtkowymi nkłdmi, wydtkmi bądź n rozwój ilośiowy urządzeń elektryznyh (wybudownie rezerwowej linii), le duże zyski są osiągne poprzez stosownie nowyh tehnik i tehnologii zy sposobów zrządzni, które zwierją dużą ilość myśli tehniznej. System elektroenergetyzny nie posid jednoznznego podziłu n zęśi elementrne. W trkie niektóryh rozwżń z elementy SEE możn uznć: elektrownie, linie elektroenergetyzne, stje elektroenergetyzne, trnsformtory, dłwiki, bterie kondenstorów, utomtyk pomirow i sterują, utomtyk prewenyjn i zbezpiezeniow. Niekiedy tki podził jest niewystrzjąy i n przykłd w elektrowni trzeb wyróżnić: kotły, turbiny, genertory, regultory kotłowe, regultory prędkośi i wzbudzeni. kolei w stjh elektroenergetyznyh wyróżni się: szyny, wyłązniki, odłązniki, utomtykę zbezpiezeniową i prewenyjną. drugiej strony w oblizenih rozpływów moy w siei, elektrownię z liznymi genertormi możn zstąpić idelnym źródłem npięi, n przykłd stję sieiową w oblizenih tyh zstępuje się jednym węzłem - punktem o tkim smym potenjle. kolei przy oblizniu prądów zwriowyh w siei elektrowni musi być zstąpion źródłem npięi o pewnej wrtośi impednji wewnętrznej.. etody rozwiązywni trójfzowyh obwodów elektryznyh prądu przemiennego W dlszej zęśi wykłdów zjmowć będziemy się sieią przesyłową, wię ukłdem linii i trnsformtorów (utotrnsformtorów) prująyh n npięiu 4 kv, kv i kv. Poniewż sieć tyh urządzeń jest sieią zmkniętą, toteż do wyznzni stnu elektryznego tkiego ukłdu są stosowne metody z teorii obwodów elektryznyh z zkresu nlizy trójfzowyh, wielokrotnie zmkniętyh obwodów elektryznyh prądu przemiennego. Przy zym obwód wielokrotnie zmknięty oznz, że przesył energii elektryznej z jednego punktu siei do innego może odbywć się wielom połązenimi elektryznymi. tem nleży pmiętć, że:. e względu n to iż mmy do zynieni z sieią prądu przemiennego nleży stosowć rhunek lizb zespolonyh o oznz iż w kżdym punkie obwodu elektryznego siei prądu przemiennego stn elektryzny jest jednoznznie określony przez ztery wielkośi: 6 Wykłd

7 moduł i kąt fzowy npięi orz mo zynną i bierną:, δ, P, Q. Pozostłe wielkośi elektryzne (np. prąd zynny, bierny, osϕ) łtwo mogą być oblizone n podstwie tyh wielkośi elektryznyh. W dlszej zęśi wykłdu lizby zespolone będą wyróżnine przez podkreślenie: e jδ ejf, S PjQ,, RjX.. W elektroenergetyznyh ukłdh przesyłowyh jednostkowe moe wytwrzne i przesyłne są rzędu kilkuset megwtów, toteż w oblizenih, wielkośi elektryzne wyrż się: moe w V A, W, vr; npięi w kv; prądy w ka; impednje w Ω; dmitnje w S (siemensh). Wtedy nie trzeb stosowć przelizników typu, zy -6.. my do zynieni z obwodmi trójfzowymi, toteż npięi zwykle są npięimi międzyprzewodowymi (międzyfzowymi) - jeśli wyrźnie tego nie zznzono iż są to wrtośi fzowe. oe są momi łkowitymi - sumą moy we wszystkih trzeh fzh. Prądy mierzone w siei są wyłąznie prądmi poszzególnyh fz, ntomist w oblizenih stosuje się w sposób sztuzny wrtośi prądów fzowyh pomnożone przez. tem nleży pmiętć, że w niektóryh wzorh oblizeniowyh występuje, w innyh nie występuje. 4. Genertory, linie, trnsformtory i inne urządzeni elektryzne muszą być odwzorowywne prmetrmi impednyjnymi RjX, zyli kżdy tki element m: rezystnję, rektnję orz pojemność. 5. Do rozwiązywni stnów elektryznyh w obwodh trójfzowyh używ się metody skłdowyh symetryznyh, zwłszz do nlizy stnów symetryznyh, n przykłd do wyznzni wrtośi prądów i npięć podzs zwrć niesymetryznyh, (jednofzowyh). W stnh symetryznyh obwodu trójfzowego występuje tylko skłdow zgodn, będą odpowiednikiem stnu w jednej (dowolnej) fzie. tem przy rozwiązywniu stnów symetryznyh używ się shemtu jednofzowego elementów jk i łej siei, ntomist do rozwiązywniu stnów symetryznyh (zwrć jednofzowyh i dwufzowyh) nleży sporządzić trzy shemty dl skłdowej zgodnej, przeiwnej i zerowej (metod skłdowyh symetryznyh). 6. W oblizenih elektroenergetyznyh związnyh z wyznzniem stnów elektryznyh siei zmkniętyh jest używn metod npięć węzłowyh. W metodzie węzłowej operuje się prądmi i npięimi węzłowymi. 7. Prądy węzłowe to zstrzyki prądowe od źródeł (genertorów) wynikjąe z wstrzykiwnej do siei moy orz ujemne zstrzyki prądowe wynikjąe z moy odbiernej od siei elektroenergetyznej - w modelu jk Błąd! Nie możn odnleźć źródł odwołni..wynikją one z przepływów moy n trnsformtorh blokowyh (generje) i trnsformtorh kv/sn (odbiory). Npięi węzłowe to wrtośi npięć n szynh stji elektroenergetyznyh (elektrowninyh i sieiowyh) - szynh styjnyh o różnyh potenjłh elektryznyh. Npięi wyrż się w kv, prądy w ka (ozywiśie są to lizby Wykłd 7

8 zespolone). Prądy i npięi węzłowe przedstwi się w posti mierzy kolumnowyh stopni N x, przy zym N jest lizbą węzłów shemtu zstępzego siei przesyłowej: iędzy npięimi węzłowymi, prądmi węzłowymi, zgodnie z metodą npięć węzłowyh, zhodzi relj (prwo Ohm dl siei wielowęzłowej): Y Y (. ) gdzie Y jest mierzą dmitnyjną węzłową o wymirh N x N, zyli m tyle smo kolumn i wierszy o węzłów w shemie zstępzym siei. tem możn powiedzieć, że kżdej kolumnie lub wierszowi mierzy dmitnyjnej odpowid węzeł w shemie zstępzym siei. Obliznie elementów mierzy dmitnyjnej węzłowej jest stosunkowo proste. W mierzy tej występują elementy digonlne, nzywne dmitnjmi włsnymi węzłów, które obliz się jko sumę wszystkih dmitnji głęzi dołązonyh do dnego węzł. ierz dmitnyjn jest mierzą symetryzną, elementy pozdigonlne nzywne są dmitnjmi wzjemnymi węzłów i są równe dmitnjom głęzi wziętyh z przeiwnym znkiem - głęzi łąząyh bezpośrednio dw węzły. Węzły nie połązone bezpośrednio dwiem głęzimi mją zerowe dmitnje wzjemne. równni metody potenjłów węzłowyh wynikją równni npięiowo - moowe: Pi i Yii sin µ ii Yij i j sin( δi δ j µ ij ) j N i Qi i Yii osµ ii Yij i j os( δi δ j µ ij ) j N i 8. Elektroenergetyzn sieć przesyłow jest sieią wielonpięiową, dltego też koniezne jest sprowdznie prądów, npięć i impednji do jednego poziomu npięiowego. ożn to dokonć poprzez speyfizne obliznie elementów mierzy dmitnyjnej uwzględnijąe przekłdnie trnsformtorów. 9. W oblizenih stnów elektroenergetyznej siei przesyłowej używ się nstępująyh mtemtyznyh metod numeryznyh rhunek mierzowy, metody rozwiązywni liniowyh ukłdów równń, metody rozwiązywni nieliniowyh ukłdów równń, metody łkowni numeryznego..w oblizenih stnów elektroenergetyznej siei przesyłowej używ się nstępująyh mtemtyznyh metod numeryznyh - rhunek mierzowy, - metody rozwiązywni liniowyh ukłdów równń, - metody rozwiązywni nieliniowyh ukłdów równń, - metody łkowni numeryznego równni ruhu obrotowego: 8 Wykłd

9 - trnsmitnj opertorow. Wykłd 9

10 Wykłd. Pr ukłdów trójfzowyh.. W stnie symetryznego obiążeni o hrkterze indukyjnym Rys... Wektory prądów i npięć w symetryznym stnie obiążeni Prądy fzowe w trójfzowym symetryznym stnie obiążeni są: w fzie : w fzie b: j b w fzie : j gdzie: j j tem wektorowo: b podobnie npięi: b W skłdowyh symetryznyh: podobnie npięi są: P Q φ b b j

11 Wykłd Trójfzowy ukłd prądów i npięć w stnie symetryznym jest równowżny jednofzowemu ukłdowi (skłdowej zgodnej fzie ): b b o trójfzow zynn i biern jest: * * f jq P S mo pozorn: f Q P S Nleży zuwżyć, że: j j stąd:, mierze przeksztłeni skłdowyh symetryznyh są: S S

12 Wykłd.. W stnie niesymetryznego obiążeni Rys... Wektory prądów i npięć w niesymetryznym stnie obiążeni Prądy fzowe w trójfzowym symetryznym stnie obiążeni są: b b b W skłdowyh symetryznyh: b b b b Trójfzowy ukłd prądów i npięć w stnie niesymetryznego obiążeni jest równowżny trzem jednofzowym ukłdom dl skłdowej zerowej, zgodnej i przeiwnej. b b b b j