Energooszczędność w instalacjach i sieciach elektroenergetycznych Straty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego

Transkrypt

1 Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią Straty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego Dr hab. inż. Wiesław Nowak

2 dr hab. inż. Wiesław Nowak, prof. AGH Energooszczędność w instalacjach i sieciach elektroenergetycznych Straty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego Kraków, marca 013

3 Plan wykładu 1. Straty mocy i energii. Straty w liniach i przewodach 3. Wpływu odbiorników nieliniowych na straty w elementach sieci 4. Straty w pozostałych elementach sieci i instalacji 5. Dyskusja 3

4 1. Straty mocy i energii 4

5 Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w procesie dostawy energii elektrycznej. Straty dzieli się na straty: obciążeniowe (podłużne) zależne od obciążenia elementu sieciowego jałowe (poprzeczne) praktycznie niezależne od obciążenia. 5

6 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe 6

12 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe Straty mocy jako funkcja przesyłanej mocy: S S P + Q P o = 3I R = 3 R = R = 3U U U R I wartość skuteczna natężenia prądu w danym elemencie sieciowym S, P, Q odpowiednio moc pozorna, czynna i bierna przepływająca przez dany element sieciowy R rezystancja podłużna elementu sieciowego U napięcie międzyfazowe 1

13 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe Problem: dostarczyć linią elektroenergetyczna L do punktu odbioru O, moc wytwarzaną w generatorze G G ~ L O moc P cosϕ U =??? długość linii l Jakie wybrać napięcie znamionowe generatora (linii)? 13

14 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe Zależność prądu znamionowego od napięcia znamionowego, P = 00 MW, cosϕ = 0,80 14

15 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe (1) Moc przesyłana: P = 3UI cosϕ () Prąd w przewodzie linii: I = P 3U cosϕ (3) Straty mocy: P = 3I R0l gdzie: R 0 rezystancja jednostkowa linii, Ω/km l długość linii, km 15

16 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe (4) Podstawiając () do (3): P P = 3 R0l 3U cos ϕ (5) Rezystancja przewodu: R 0 l = ρl s = ρl πr gdzie: ρ l rezystywność materiału przewodu, Ω mm /km promień przewodu, mm 16

17 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe (6) Podstawiając (5) do (4) otrzymujemy: P P = P cos ϕ ρ πr l U 100% Wniosek: chcąc ograniczać wielkość strat mocy przy danym P, cosϕ, ρ oraz l należy zwiększać promień r przewodu lub napięcie znamionowe U przesyłu 17

18 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe Zależność strat mocy od długości i promienia przewodu (Cu) linii U = 15,75 kv, P = 00 MW, cosϕ = 0,80 18

19 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe aby np. ograniczyć wielkość strat do poziomu 1% przy przesyle na odległość 100 km linią o napięciu 15,75 kv, należałoby zastosować przewody o promieniu powyżej 00 mm masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosiłaby: π 0, [m ] 1000[m] 9000 kg 1100 ton!!! istniałyby trudności w budowie takiej linii m 3 19

20 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe Zależność strat mocy od długości i napięcia znamionowego linii r = 0 mm, P = 00 MW, cosϕ = 0,80 0

21 Straty mocy czynnej obciąż ążeniowe aby ograniczyć wielkość strat do poziomu 1% przy przesyle na odległość 100 km linią o napięciu 0 kv, należy zastosować przewody o promieniu 0 mm masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosi: π 0,0 [m ] 1000[m] 9000 kg m 3 11 ton (tylko!) lepiej jest zastosować przewody aluminiowe: aluminium ma co prawda ok.1,6 razy większą oporność właściwą w stosunku do miedzi, ale ponad 3 razy mniejszą gęstość 1

22 Straty mocy czynnej jałowe Straty jałowe: P j = U G G konduktancja poprzeczna elementu sieciowego U napięcie międzyfazowe Straty jałowe: w praktyce przyjmuje się, że są stałe określa się dla tych elementów sieciowych, dla których w schematach zastępczych uwzględnia się kondunktancję (linie elektroenergetyczne napowietrzne o napięciu znamionowym U n > 30 kv i kablowe o napięciu znamionowym U n > 0 kv, transformatory oraz kondensatory równoległe)

23 Wypadkowe straty mocy czynnej Wypadkowe straty mocy czynnej: P = P o + P j 3

24 Straty energii Straty energii E określa następująca zależność: Ta E = P t dt 0 P t chwilowe straty mocy czynnej T a czas obliczeniowy czyli czas, dla którego wyznacza się straty energii 4

25 Straty energii Straty energii E są sumą: E = T a 0 P dt t = T a 0 [ P j + P ot ] dt = E j + E o E j jałowe straty energii czynnej E o jałowe straty energii czynnej 5

26 Jałowe straty energii Jałowe straty energii przy założeniu P j = const: E = P j j T a T a czas pracy urządzenia (np. T a = 8760 h) 6

27 Obciąż ążeniowe straty energii Obciążeniowe straty energii czynnej E o : T a Eo = P 0 Moc chwilową strat P ot można wyrazić jako: P ot = P os I I t s = P I s największe natężenie prądu w okresie obliczeniowym T a I t natężenie prądu w chwili t S s największe obciążenie mocą pozorną w okresie obliczeniowym T a S t obciążenie mocą pozorną w chwili t P os straty obciążeniowe przy szczytowym (maksymalnym) obciążeniu m St chwilowy stopień obciążenia mocą pozorną ot os dt S S t s = P os m St 7

28 Obciąż ążeniowe straty energii Obciążeniowe straty energii czynnej E o : E o = P Ta os 0 m St dt = P os τ = P os τ w T a τ czas trwania strat maksymalnych τ w względny czas trwania strat maksymalnych 8

29 Czas trwania strat maksymalnych Czas występowania strat maksymalnych wyrażony jest następującą zależnością : τ = 1 s I T a 0 I t dt = T a 0 S S t s dt = T a 0 m St dt τ w T a Obliczenie dokładnej wartości wymaga funkcyjnego odwzorowania przebiegu prądu I t = I(t) lub mocy S t = S(t) w ciągu całego okresu czasu. 9

30 Czas trwania strat maksymalnych W praktyce podstawowymi wielkościami mierzonymi są: ilość wprowadzonej (zakupionej) energii elektrycznej maksymalne obciążenia (moc szczytowa) średnie obciążenia w wybranych jednostkach czasu np. obciążenia 15-minutowe Analiza różnych metod wyznaczania czasu trwania strat maksymalnych przedstawiona jest w: Kulczycki J. pod red.: Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych, Wyd. PTPiREE, Poznań

31 . Straty w liniach i przewodach 31

32 Straty mocy w liniach Straty w liniach napowietrznych i kablowych: obciążeniowe jałowe dodatkowe 3

33 Straty obciąż ążeniowe Straty obciążeniowe: S S P + Q P o = 3I R = 3 R = R = 3U U U R I wartość skuteczna natężenia prądu w danym elemencie sieciowym S, P, Q odpowiednio moc pozorna, czynna i bierna przepływająca przez dany element sieciowy R rezystancja podłużna elementu sieciowego U napięcie międzyfazowe 33

34 Straty obciąż ążeniowe Przekroje napowietrznych przewodów gołych stosowanych w elektroenergetycznych sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych A - klasyczny przewód stalowo aluminiowy z drutami okrągłymi (AFL) B - przewód z drutami segmentowymi i rdzeniem z drutów okrągłych stalowych (AFLs) C - przewód z drutami segmentowymi i rdzeniem kompozytowym (ACCC/TW), D - przewody gołe z aluminium lub ze stopu aluminium AlMgS (AAL) 34

35 Straty obciąż ążeniowe Względne zmiany rezystancji przewodów 1.30 Względny przyrost rezystancji przewodów AFL, AL, AFLs, ACCC/TW - przewody z aluminium AAL -przewód - stop alunimium Temperatura pracy przewodów w o C 35

36 Straty obciąż ążeniowe konstrukcji przewodów z drutami segmentowym i kompozytowymi pozwalają na zwiększenie pola przekroju aluminium przewodów AFL S o0 5%, a w przewodach z rdzeniem kompozytowym (ACCC/TW) o około 30% w stosunku do klasycznego przewodu AFL o tej samej średnicy zwiększenie ilości aluminium w przewodach kompozytowych i segmentowych przekłada się na zmniejszenie rezystancji zastosowanie przewodów niskozwisowych z rdzeniem kompozytowym, pozwala na pracę przewodów w wyższych temperaturach i przy zwiększonym obciążeniu bez konieczności zmiany konstrukcji słupów - równocześnie podwyższona temperatura przewodów oraz zwiększone obciążenie powoduje większe straty mocy w takim przewodzie 36

37 Straty obciąż ążeniowe Względne straty mocy czynnej i rezystancji w linii z przewodami ACCC Względne straty mocy i rezystancji względne straty mocy względna zmiana rezystacji Dopuszczalne temperatry pracy przewodu ACCC-460 / Stockholm 37

38 Straty jałowe Straty jałowe to straty wywołane zjawiskiem: upływem w izolacji ulotu elektrycznego 38

39 Straty jałowe Straty mocy na upływność w linii 110 kv na izolatorach wiszących Straty na upływność, [W /1 km toru] pogoda sucha deszcz lekka mgła gęsta mgła i wiatr Stany pogody sadź 39

40 Straty jałowe Straty ulotowe w dwóch liniach 0 kv o podobnych konstrukcjach:, 3, 5, a dobra pogoda; 1, c deszcz; 4 marznąca mżawka; b suchy śnieg; 4 szron. Linie przerywane (oznaczenia literowe) wartości obliczeniowe; Linie ciągłe (oznaczenia liczbowe) wartości pomiarowe P, kw/km 40

41 Straty jałowe Według klasycznego wzoru Peeka wielkość strat ulotowych P wyrażona jest zależnością: P 41 r 5 δ a ( ) ( ) f + 5 U U 10 [kw/km] = j δ gęstość względna powietrza, f częstotliwość w Hz, a odstęp między przewodami linii, r promień przewodu linii, U wartość skuteczna napięcie fazowego w kv, U j wartość skuteczna napięcie fazowego w kv odpowiadająca natężeniu pola elektrycznego jonizacji zderzeniowej: 41

44 Straty jałowe E j = 1, δ m m 1 m 1 m współczynnik uwzględniający gładkość powierzchni przewodu, równy 0, ,83 w zależności od konstrukcji i stopnia zestarzenia przewodu, współczynnik uwzględniający warunki pogodowe, równy 0,8 dla deszczu. 44

45 Straty jałowe Przekrój wiązki przewodowej; R promień wiązki, R z promień równoważny, r e promień zastępczy wiązki, r = 0,5 d promień przewodu wiązki r = e R N Nr R 45

46 Straty jałowe Obrazy natężenia pola elektrycznego w otoczeniu fazy środkowej jednotorowej linii 400 kv dla liczby przewodów w wiązce N = 1,, 3, 46

47 Straty dodatkowe Straty jałowe to straty wywołane zjawiskiem: straty w powłokach, pancerzach i żyłach powrotnych kabli straty w przewodach odgromowych 47

48 3. Wpływu odbiorników nieliniowych na straty w elementach sieci 48

49 Wprowadzenie Stosowanie odbiorników nieliniowych w sieciach elektroenergetycznych skutkuje odkształceniem od sinusoidy przebiegów napięć i prądów Wpływa to między innymi na zwiększenie strat mocy i energii w elementach sieci: liniach transformatorach 49

50 Wprowadzenie Dodatkowe straty mocy w liniach spowodowane są: wzrostem rezystancji przewodów linii przy przepływie prądów wyższej częstotliwości obciążeniem przewodu neutralnego harmonicznymi rzędu o krotności trzy harmoniczne potrójne Dodatkowe straty mocy w transformatorach spowodowane są prądami wirowymi powstającymi wskutek oddziaływania strumienia rozproszenia w: przewodach uzwojeń elementach konstrukcyjnych transformatora 50

51 Straty mocy w liniach Przepływ prądu w czteroprzewodowej linii niskiego napięcia skutkuje wystąpieniem strat mocy P L gdzie: P L P P LF LN = P = = I LF + P LN ( I ) L1 + I L + I L3 RF N R I L1, I L, I L3 wartości skuteczne prądów w przewodach fazowych, R F rezystancja przewodu fazowego, I N wartość skuteczna prądu w przewodzie neutralnym, R N rezystancja przewodu neutralnego. N 51

52 Straty mocy w liniach Powyższe zależności pozostają słuszne również dla odkształconych przebiegów prądów Wartości skuteczne prądów określone są następująco: F = I Fi i= 1 I I N = I Ni i= 1 gdzie: I fi wartość skuteczna i-tej harmonicznej prądu w przewodach fazowych, I ni wartość skuteczna i-tej harmonicznej prądu w przewodzie neutralnym. 5

53 Straty mocy w liniach Analizując wpływ prądów odkształconych na straty mocy należy uwzględnić wzrost rezystancji przewodów wskutek zjawiska naskórkowości i efektu zbliżenia przewodów Wzrost rezystancji R AC przewodu linii niskiego napięcia przy przepływie prądu przemiennego, w odniesieniu do rezystancji R DC przewodu przy przepływie prądu stałego wynosi: gdzie: R R AC DC =1+ x ( n) x ( n) s + x s (n) współczynnik określający wpływ zjawiska naskórkowości, x sp (n) współczynnik określający wpływ efektu zbliżenia przewodów, n rząd harmonicznej. sp 53

54 Straty mocy w transformatorach Straty w transformatorach są sumą strat jałowych i strat obciążeniowych Straty jałowe są niezależne od obciążenia transformatora. Straty obciążeniowe P T można przedstawić jako sumę strat podstawowych P TP i strat dodatkowych P TD : P T = P TP + P TD Straty podstawowe wydzielanie ciepła w uzwojeniach transformatora przy przepływie prądu obciążeniowego Straty dodatkowe wywołane prądami wirowymi w przewodach uzwojeń i innych elementach konstrukcyjnych transformatora - powstającymi wskutek oddziaływania strumienia rozproszenia 54

55 Straty mocy w transformatorach Współczynnik wzrostu strat obciążeniowych K O można wyrazić zależnością: K K O = = PTo = PT Ii I i= 1 PTP P n + K P + P Jeżeli założyć, że stosunek β strat dodatkowych do podstawowych wynosi: i TP TD TD β = P P TD TP to K O 1+ K β = 1 + β 55

56 Straty w modelowej sieci nn Układ modelowy: transformator S nt = 100 kva, napowietrznej linii nn długość L =1 50 m przewody typu AsXSn 4 50 mm obciążenie takiej samej mocy i charakterze (I obc = 6 A) 56

57 Straty w modelowej sieci nn Zależność rezystancji przewodu izolowanego typu AsXSn oraz przewodu gołego typu AL od częstotliwości płynącego prądu 57

58 Straty w modelowej sieci nn 58

59 Przebiegi prądów obciążenia 9,0 [A] 4,5 Wariant 1 Wariant Wariant [A] [A ] 6 6 0,0-4,5-9, [ms] 40 (file 1v 4.pl4; x-var t) c:tka -X0001A [ms] 40 (file prady.pl4; x-var t) c:x001a-x006a [ms] 40 (file p rad y.pl 4; x -v ar t) c:x00 1A -X00 6 A 1 [A ] 6 Wariant 4 Wariant 5 Wariant [A] [A ] [ms] 40 (f il e p rady.pl4 ; x-v ar t) c:x0 0 1A-X00 6A [ms] 40 (file prady.pl4; x-var t) c:x001a-x006a [ms] 40 (file p rad y.pl 4; x -v ar t) c:x00 1A -X00 6 A 1 [A] 6 Wariant 7 Wariant 8 Wariant ,0 [A] [A] 6 7, [ms] 40 (f il e p rady.pl4 ; x-v ar t) c:x0 0 1A-X00 6A [ms] 40 (file prady.pl4; x-var t) c:x0004a-x006a 0,0-7,5-15, [ms] 40 (file p rad y.pl 4; x -v ar t) c:x00 04A -X00 6 A 59

60 Wyniki obliczeń strat mocy w linii Całkowite straty mocy w linii nn oraz straty mocy w przewodach neutralnych w wariantach W1-W9 3500, ,00 Straty mocy, W 500,00 000, , ,00 500,00 0,00 W 1 H1 W H1, H3 W 3 H1, H5 W 4 H1, H7 W 5 H1, H9 W 6 H1, H11 W 7 H1, H13 W 8 H1 H13 W 9 H1 H13 Suma strat mocy 50,37 875,99 50,73 51,93 878,15 55,41 57,65 368,9 3147,95 Suma strat mocy w przew. n. 0,03 639,88 0,10 0,16 746,48 0,9 0,36 119,73 919,5 60

61 Wyniki obliczeń strat mocy w linii 3500, ,00 Całkowite straty mocy w linii nn wywołane poszczególnymi prądami harmonicznymi w wariantach W-8 i W-9 Straty mocy, W 500,00 000, , ,00 500,00 0,00 SUMA H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13 THD = 14,37% 368,9 04,83 158,74,51 0,76 0,8 0,35 0,9 THD = 51,33% 3147, ,00 108,58 118,61 1,1 13,78 3,39 1,38 61

62 Wyniki obliczeń strat mocy w transformatorze Wartości współczynnika K O dla analizowanych wariantów obciążenia 3,000,500,000 K0 [ ] 1,500 1,000 0,500 0,000 W 1 H1 W H1, H3 W 3 H1, H5 W 4 H1, H7 W 5 H1, H9 W 6 H1, H11 W 7 H1, H13 W 8 H1 H13 W 9 H1 H13 1,000 1,073 1,19 1,438 1,730,094,53 1,019 1,38 6

63 Wnioski Należy zwrócić uwagę na fakt, że różne czynniki wpływają na wielkość zmian strat mocy w liniach i w transformatorach. W liniach najistotniejsze są straty wywołane harmonicznymi o krotności rzędu 3. Natomiast w transformatorach straty dodatkowe silnie zależą od stopnia odkształcenia prądu można wskazać na harmoniczne wyższych rzędów, jako główną przyczynę wzrostu strat dodatkowych. 63

64 4. Straty w pozostałych elementach sieci i instalacji 64

65 Straty w kondensatorach Straty w bateriach kondensatorów P C = P Cj Q j P Cj całkowite straty jednostkowe w baterii kondensatorów [W/kvar] Q j moc baterii kondensatorów [kvar] Bateria kondensatorów Rodzaj baterii kondensatorów łącznie z łącznie z w układach z bez rezystorów bezpiecznikami, rezystorami dławikami rozładowczych stycznikami, rozładowczymi ochronnymi kablami Straty mocy czynnej [W/kvar] Na niskie napięcie nn (do 1 kv) 0, < 0,7 <,5 < 7 Na średnie napięcie SN (do 30 kv) (0,07 0,5) 65

66 Straty w licznikach energii elektrycznej Straty w licznikach: Pliczn = n1 P1 f + n1e P1 fe + n P3 f + ne P3 fe gdzie: P 1f straty mocy w liczniku indukcyjnym jednofazowym, P 3f straty mocy w liczniku indukcyjnym trójfazowym, P 1fe, straty mocy w liczniku elektronicznym jednofazowym, P 3fe straty mocy w liczniku elektronicznym trójfazowym, n 1 liczba liczników indukcyjnych jednofazowych, n 3 liczba liczników indukcyjnych trójfazowych, n 1e liczba liczników elektronicznych jednofazowych, n 3 liczba liczników elektronicznych trójfazowych. Liczniki energii elektrycznej Straty mocy czynnej [W/licznik] jednofazowe trójfazowe Liczniki indukcyjne (3, 3,4) 7, Liczniki elektroniczne (0,8 1,1) (1,0 1,) 66

67 Straty w przyłą łączach i WLZ??? duży problem szacunkowo: E p = 0, 003E E wlz = 0, 003 E E p straty energii w przyłączach E wlz straty energii w WLZ E energia przepływająca przez przyłącze i WLZ 67

68 Straty mocy w bezpiecznikach Straty mocy, [W] WTN 00 gf WTN 1 gf WTN 00 gg WTN 1gG WTN gg WTN 3 gg Bu_Wto Bm_Wto Prąd znaminowy wkładki, [A] 68

69 Straty mocy w bezpiecznikach Straty mocy, [W] PBG 00 PBG 00-3 PBN 1 PBN 1-3 PBN PBN -3 PBN 3 Typ podstawy bezpiecznikowej 69

70 Straty mocy w zestykach Straty mocy, [W] złącze Cu-Cu złącze AlCu-ALCu złącze Cu-Al Cu-AL złącze Al-Al Prąd płynący przez złącze, [A] 70

71 Sprzęt informatyczny 6 komputerów, 1 monitorów Wielkość Stand by Obciążenie Wartość skuteczna napięcia, V 7,6 7, Wartość skuteczna prądu, A 1,50,18 Współczynnik THD prądu, % Moc czynna, W Moc bierna przesunięcia, VAr 6 7 Moc bierna odkształcenia, VAr Moc pozorna, VA Współczynnik mocy, 0,50 0,56 Współczynnik mocy pierwszych. harmonicznych, 0,95 0,96 71

72 Dziękuję za uwagę i zapraszam do dyskusji 7