KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ CEL ORAZ SKUTKI NIEPRAWIDŁOWEGO DOBORU URZĄDZEŃ

Transkrypt

1 mgr Marcin A. Sulkowski Politechnika Białostocka KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ CEL ORAZ SKUTKI NIEPRAWIDŁOWEGO DOBORU URZĄDZEŃ Problem prawidłowej kompensacji mocy biernej, jest jednym z podstawowych zagadnień z jakim muszą się borykać słuŝby eksploatacji sieci, zarówno w energetyce zawodowej jak i w zakładach przemysłowych. Brak prawidłowego doboru urządzeń kompensujących moc bierną w sieci elektroenergetycznej, ciągnie za sobą powaŝne straty związane ze zmianami parametrów pracy układy zasilająco- rozdzielczego. W referacie przedstawiono podstawowe zagadnienia związane z kompensacją mocy biernej, scharakteryzowano odbiorniki mocy biernej występujące w zakładach przemysłowych oraz przedstawiono wpływ współczynnika mocy na warunki pracy sieci zasilająco- rozdzielczej. 1. Wprowadzenie Wszystkie stosowane w zakładach przemysłowych odbiorniki prądu przemiennego pobierają moc i energię czynną, przetwarzaną na pracę uŝyteczną i ciepło strat. Oprócz mocy czynnej zdecydowana większość tych odbiorników pobiera z sieci elektroenergetycznej takŝe moc bierną indukcyjną nie wykonującą Ŝadnej pracy, lecz warunkującą poprawną pracę tych urządzeń. Konieczność dostarczania tej mocy do odbiorników powoduje zwiększenie wartości prądów roboczych, co skutkuje m.in.: koniecznością instalowania w systemie elektroenergetycznym urządzeń wytwórczych oraz przetwórczych o większych mocach oraz prądach znamionowych, zwiększonymi stratami energii czynnej w transformatorach, liniach elektroenergetycznych, instalacjach elektrycznych oraz obwodach odbiorczych, zwiększonymi spadkami napięć w liniach zasilających oraz transformatorach.

2 Wszystkie te skutki przepływu mocy biernej w sieciach elektroenergetycznych powodują generowanie dodatkowych kosztów, którymi obciąŝani są odbiorcy energii elektrycznej.. Bilans mocy biernej w systemie elektroenergetycznym Właściwa gospodarka mocą bierną w sieci elektroenergetycznej wymaga nie tylko zbilansowania mocy biernej w systemie elektroenergetycznym, ale równieŝ w poszczególnych obszarach oraz węzłach sieci. Analiza bilansu mocy biernej w polskim systemie elektroenergetycznym nie wykazuje jednak zadawalającej struktury wytwarzania mocy biernej, co przedstawia orientacyjny bilans mocy w systemie w szczycie obciąŝenia: 1. Wytwarzanie generatory 65%, generacja w liniach 5%, urządzenia do kompensacji 10%.. Zapotrzebowanie potrzeby własne elektrowni 10%, straty mocy w transformatorach blokowych 15%, straty w sieci 5%, odbiorcy 50%. Na rys. 1. przedstawiono rozmieszczenie źródeł i odbiorników mocy biernej oraz urządzeń do regulacji napięcia (generatory, transformatory, autotransformatory ) w krajowym systemie elektroenergetycznym. Obecna struktura zapotrzebowania oraz wytwarzania mocy biernej w systemie powoduje, Ŝe istnieje konieczność generowania mocy biernej w węzłach wytwórczych. Aczkolwiek koszty wytwarzania mocy biernej w generatorach są znacznie mniejsze niŝ w lokalnych źródłach (kondensatory oraz kompensatory), to jednak koszt przesyłu mocy biernej w sieciach jest bardzo wysoki (150% - 300% kosztów wytwarzania), co powoduje, Ŝe z ekonomicznego punktu widzenia wytwarzanie mocy biernej oraz jej przesył do odbiorców nie jest opłacalny. Znacznie

3 tańszym rozwiązanie jest stosowanie lokalnych źródeł mocy biernej, najlepiej jak najbliŝej duŝych odbiorów mocy biernej. 750 kv Dławiki Autotransformatory pod obciąŝeniem bez regulacji napięcia Autotransformatory pod obciąŝeniem 400 kv Generatory pracujące na 0 kv cos φ = 0,85 Generatory pracujące na 400 kv cos φ = 0,85 Autotransformatory pod obciąŝeniem ODBIORCY PRZEMYSŁOWI bez regulacji napięcia Generatory pracujące na 110 kv cos φ = 0,85 Kondensatory w stacjach NN 110 kv 0 kv 110 kv Kondensatory w stacjach 110 kv/sn I w sieciach SN pod obciąŝeniem ODBIORCY PRZEMYSŁOWI ZASILANI Z SIECI SN pod obciąŝeniem SN Kondensatory w sieci nn ODBIORCY ZASILANI Z SIECI nn bez obciąŝenia ann Rys 1. Rozmieszczenie źródeł i odbiorników mocy biernej oraz urządzeń do regulacji napięcia w krajowym systemie elektroenergetycznym 3. Odbiorniki mocy biernej w instalacjach odbiorczych Głównymi odbiornikami mocy biernej indukcyjnej w instalacjach odbiorczych (zarówno u odbiorców indywidualnych jak i u odbiorców przemysłowych) są

4 urządzenia, które do prawidłowej pracy muszą wytwarzać pole elektromagnetyczne. Są to przede wszystkim transformatory, dławiki, silniki asynchroniczne oraz lampy wyładowcze. Znaczącą grupą odbiorników mocy biernej stają się tyrystorowe układy przekształtnikowe, w których pobierana moc bierna związana jest nie tylko z poborem mocy biernej przez transformatory prostownikowe, ale takŝe z poborem mocy biernej związanej z procesami komutacji. Największą grupą urządzeń, dla której prawidłowa eksploatacja pozwala na znaczącą poprawę współczynnika mocy są silniki asynchroniczne. Pobierana przez nie moc bierna w duŝym stopniu zaleŝy od warunków eksploatacji, co pozwala na poprawę współczynnika mocy poprzez działania organizacyjne. Moc bierna pobierana przez silniki asynchroniczne dzielimy ze względu na przyczyny powstawiania na dwie części: Q 1 moc bierną strumienia głównego, nie zaleŝną od obciąŝenia silnika i będącą jedynie funkcją napięcia zasilającego oraz częstotliwości, przy czym wartości zmian współczynnika mocy cos φ w zaleŝności od wartości napięcia zasilania oraz stopnia obciąŝenia silnika przedstawiono na rys. Q moc bierną strumienia rozproszenia, zaleŝną od stopnia obciąŝenia silnika, przy czym zmiany wartości współczynnika mocy przy róŝnym stopniu obciąŝenia silnika oraz róŝnych wartościach znamionowego współczynnika mocy przedstawia rys 3. Sumaryczną moc bierną Q pobieraną przez silnik asynchroniczny określamy zaleŝnością (1): 1 N PN P Q = Q + Q (1) gdzie: Q 1 moc bierna strumienia głównego, Q N moc bierna strumienia rozproszenia przy znamionowym obciąŝeniu, P N moc znamionowa silnika, P moc obciąŝenia silnika.

5 cos ϕ/ cos ϕ N Rys. Współczynnik mocy cos φ silnika asynchronicznego w zaleŝności od napięcia zasilającego przy róŝnym obciąŝeniu cos ϕ 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0, P/Pn=1 P/Pn=0,8 P/Pn=0,65 P/Pn=0,4 P/Pn=0,5 U/U N 0 0 0, 0,4 0,6 0,8 1 1, 1,4 1,6 1,8 cos φ = 0,95 cos φ = 0,90 cos φ = 0,85 cos φ = 0,80 cos φ = 0,75 cos φ= 0,70 P/P N Rys 3. Współczynnik mocy cos φ w funkcji obciąŝenia silnika asynchronicznego dla róŝnych wartości cos φ N

6 Drugą grupą urządzeń w której mamy do czynienia z podziałem pobieranej mocy biernej na moc bierną Q 1, potrzebną na wytworzenie strumienia głównego oraz moc bierną Q, wymaganą do wytwarzania strumienia rozproszenia są transformatory. Podobnie jak w przypadku silników asynchronicznych moc bierna potrzebna do wytworzenia strumienia głównego jest ściśle związana z budową transformatora i jest w przybliŝeniu równa mocy biernej pobieranej przez transformator w stanie biegu jałowego. Q = Q j P Fe Q j () gdzie: Q j moc biegu jałowego, P Fe znamionowe straty w Ŝelazie. Natomiast moc bierna Q (potrzebna do wytworzenia strumienia rozproszenia) związana jest z reaktancją uzwojeń transformatora i jej wartość jest ściśle związana z stopniem obciąŝenia transformatora (3)., co przedstawiono na rys 4. Q U Z % S = 100 (3) S N cos ϕ 1 0,9 0,85 0,8 0,75 0,7 0,65 0,6 0,55 0,5 0,45 0,4 0, 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 S/S N cos φ = 0,9 cos φ = 0,8 cos φ = 0,7 Rys 4. Zmiany współczynnika mocy po stronie pierwotnej transformatora cos ϕ 1 w zaleŝności od jego obciąŝenia przy danym współczynniku mocy obciąŝenia cos φ

7 Kolejną grupą odbiorników mocy biernej stanowią źródła światła, w postaci świetlówek, lamp rtęciowych oraz coraz powszechniej stosowanych źródeł sodowych. Pobierana przez nie moc bierna związana jest z koniecznością stosowania układów stabilizacyjnych oraz wyładowczym charakterem ich pracy. W przypadku układów stabilizacyjnych pobierana moc bierna wynika ze stosowania dławików oraz transformatorów o duŝej reaktancji rozproszenia., natomiast wyładowczy charakter pracy tych lamp powoduje, Ŝe występuję zjawisko generowania wyŝszych harmonicznych, które powodują kolejne pogorszenie współczynnika mocy. Jednak praca źródeł światła charakteryzuje się niezmienności obciąŝenia w czasie, co pozwala na stosowanie kompensacji indywidualnej w postaci baterii kondensatorów, co pozwala na osiągnięcie współczynnika mocy w granicach cosφ=0,9. 4. Wpływ współczynnika mocy na warunki pracy sieci zasilającej Moc bierna w znaczący sposób wpływa na warunki pracy sieci elektroenergetycznej. Wynika to z ograniczeń wynikających z wartości prądu znamionowego, powodującego nagrzewanie się urządzeń elektroenergetycznych. Wartość prądu znamionowego oraz wynikające z tego zjawisko nagrzewania się urządzeń, powoduje ograniczenia w przepustowości tych urządzeń. Przy załoŝeniu stałości napięcia w sieci, stosunek przesyłanej mocy czynnej P do wartości współczynnika mocy cos φ w sieci elektroenergetycznej jest wartością stałą, co określa na m zaleŝność (4) ZaleŜność ta dotyczy przede wszystkim linii oraz transformatorów. P cosϕ U = const = const. (4) Warunek ten powoduje, Ŝe w przypadku zmniejszenia się wartości współczynnika mocy w sieci, w takim samym stopniu maleje przepustowość tych urządzeń elektroenergetycznych. ZaleŜność mocy pozornej i prądu w linii elektroenergetycznej przedstawiono na rys. 5.

8 300 % I, S ,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 Składowa czynna prądu płynącego linią Icz Prąd płynący linią I Składowa bierna prądu płynącego linią Ib Moc pozorna przesyłana linią S Rys 5. Moc pozorna i prąd przesyłany linią w zaleŝności od współczynnika mocy cos φ cos ϕ W przypadku analizy moŝliwości wytwórczych generatorów elektroenergetycznych wpływ współczynnika mocy jest znacznie większy niŝ w przypadku linii elektroenergetycznych i transformatorów. Generator oprócz ograniczeniom wynikającym z warunków termicznych pracy podlega jeszcze dodatkowo ograniczeniom wynikających z dopuszczalnych prądów stojana i wirnika, moŝliwości technicznych kotła i turbiny oraz warunków granicy równowagi współpracy generatora z systemem elektroenergetycznym. Ograniczenia te przedstawia szczegółowo wykres kołowy generatora przedstawiony na rys. 6.

9 Rys 6. Wykres kołowy dopuszczalnego obszaru pracy generatora synchronicznego płaszczyźnie mocy czynnej P i biernej Q w zaleŝności od napięcia na zaciskach generatora. na Na rys. 6. obszar pracy dopuszczalnej określony został konturem a-b-cd-e-f-a ( dla napięcia znamionowego generatora). Przy czym moŝliwości poprawy współczynnika mocy biernej w systemie elektroenergetycznym w największym stopniu ogranicza nam fragment a-b konturu dopuszczalnej pracy generatora, który oznacza granicę maksymalnego prądu wzbudzenia generatora. Oprócz ograniczenia mocy wytwórczych generatorów oraz zmniejszenia przepustowości sieci elektroenergetycznej zbyt niski współczynnik mocy powoduje zwiększone spadki napięć w sieci. Problem ten staje się o tyle waŝny, Ŝe coraz większe znaczenie ma jakość dostarczanej do odbiorców energii elektrycznej. Dotyczy to głównie duŝych odbiorców przemysłowych, którzy pobierają energię elektryczną od energetyki zawodowej na poziomie sieci WN. Sieć ta charakteryzuje się stosunkiem reaktancji X do rezystancji R znacznie wyŝszym od jedności ( np. dla linii 110 kv X/R = (1,7,4)), co zgodnie z zaleŝnością (5) umoŝliwiającą wyznaczenie spadków napięć, oznacza zwiększone spadki napięcia w sieci elektroenergetycznej. gdzie: U f fazowy spadek napiecią, R, X rezystancja i reaktancja sieci, I prąd pobierany z sieci. U f = I R cosϕ + I X sinϕ (5)

10 Zwiększone przepływy mocy biernej w sieci elektroenergetycznej powodują takŝe dodatkowe straty mocy czynnej. Ogólnie straty mocy w danym odcinku sieci moŝemy wyznaczyć z zaleŝności (6). P Q P = R + R (6) U U gdzie: P straty mocy czynnej, R- rezystancja danego odcinka sieci elektroenergetycznej, P,Q - moc czynna i bierna na końcu odcinka. Pierwszy fragment równania (6) dotyczy strat mocy czynnej P p związanych z przepływem mocy czynnej przez sieć, natomiast drugi człon równania charakteryzuje straty mocy czynnej P q wywołane przez moc bierną. Jednak zaleŝność ta nie w pełni pozwala na ocenę skutków przepływu mocy biernej. Dlatego teŝ wprowadzono dodatkową wielkość określającą wzrost start mocy czynnej, wywołanych zwiększonym przepływem mocy biernej (drugi człon zaleŝności (6)), tzw. energetyczny równowaŝnik mocy biernej. k ( P ) d q Q = = R (7) dq U en Wielkość ta pozwala obliczyć zmianę strat mocy czynnej spowodowaną zmianą pobieranej mocy biernej w danym punkcie, a wartość tego współczynnika zaleŝy od wartości przesyłanej mocy biernej oraz od odległości elementu (dla którego jest wyznaczany) od źródeł (generatorów), której miarą jest rezystancja R. W obliczeniach przybliŝonych moŝna przyjmować (dla obciąŝenia szczytowego k en maz i dla obciąŝenia minimalnego k en równowaŝnika mocy biernej. min ) następujące wartości energetycznego Tabela 1. Wartości energetycznego równowaŝnika mocy biernej dla róŝnych fragmentów sieci elektroenergetycznej k en maz k en min Rodzaj sieci elektroenergetycznej kw/kvar kw/kvar Sieci 0 kv, 400 kv 0,08 0,04 Sieci 110 kv 0,10 0,06 Sieci średniego napięcia SN 0,1 0,15 0,08 0,10 Sieci niskiego napięcia nn 0,18 0, 0,1 0,14

11 5. Podsumowanie W Krajowym Systemie Elektroenergetycznym obecnie jest zainstalowana zbyt mała liczba dodatkowych źródeł mocy biernej (baterie kondensatorów, dławiki ), co powoduje zbyt duŝe przepływy mocy biernej, a co się z tym wiąŝe zwiększone straty mocy czynnej w systemie oraz zwiększone spadki napięć. NaleŜy więc, prowadzić dalsze działania mające na celu ograniczanie kosztów strat powodowanych nieracjonalną gospodarką mocą bierną w systemie. Cele te moŝna osiągnąć między innymi poprzez znacznie szersze stosowanie lokalnych źródeł mocy biernej w postaci baterii kondensatorów, połoŝonych jak najbliŝej odbiorców. Działania te oprócz poprawy bilansu mocy biernej pozwolą na poprawę jakości dostarczanej odbiorcom energii elektrycznej, poprzez ograniczanie udziału wyŝszych harmonicznych w sieci, co przy coraz szerszym stosowaniu układów przekształtnikowych staje się powaŝnym problemem, wymagającym zdecydowanych działań. Literatura: [1] Bełdowski T., Markiewicz H. : Stacje i urządzenia elektroenergetyczne, WNT, Warszawa 1995 [] Niebrzydowski J. : Sieci elektroenergetyczne, Wydawnictwo Politechniki Białostockiej, Białystok 1997 [3] Strojny J. : Kondensatory w sieci zakładu przemysłowego, WNT, Warszawa 1976 [4] Sulkowski M. : Regulacja napięcia i mocy biernej w polskiej sieci 0kV i 400 kv i nowoczesne środki stosowane do tego celu, Praca dyplomowa zrealizowana na Katedrze Elektroenergetyki Politechniki Białostockiej pod kierunkiem dr hab. inŝ. L. Twardego prof. PB. Białystok 1999 [4] Elektroenergetyczne układy przesyłowe, Praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997 [5] Poradnik InŜyniera elektryka, Praca zbiorowa, WNT, Warszawa 1997 [6] Strona internetowa: