Laboratorium Elektroenergetyki

Transkrypt

1 1 STUDIA PODYPLOMOWE: ENERGETYKA JĄDROWA WE WSPÓŁCZESNEJ ELEKTROENERGETYCE Laboratorium Elektroenergetyki mgr inż. Mariusz Benesz Co to jest TWN? Technika Wysokich Napięć (TWN) jest dziedziną Elektrotechniki, obejmującą grupy zagadnień wynikających z zastosowań wysokiego napięcia w: wytwarzaniu, przesyle i rozdziale energii elektrycznej, tzn. w elektroenergetyce innych niż elektroenergetyka obszarach nauki i techniki, jak np. w medycynie, fizyce, przemyśle itp. 2

2 2 Zasadnicze grupy zagadnień TWN W problematyce wysokonapięciowej wyróżnia się trzy zasadnicze grup zagadnień: zagadnienia wytrzymałości elektrycznej zagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej zagadnienia techniki probierczo-pomiarowej 3 Zagadnienia wytrzymałości elektrycznej W tej grupie zagadnień rozpatrywane są zjawiska zachodzące w dielektrykach pod wpływem pola elektrycznego: procesy jonizacyjne elektryzacja cząstek dielektryka przemieszczanie się ładunków i cząstek dielektryka Przedmiotem rozważań są warunki powstawania i rozwoju tych zjawisk, mogące prowadzić do tzw. wyładowania zupełnego (utraty własności izolacyjnych), a celem tych rozważań jest dobór optymalnych parametrów układu izolacyjnego. 4

3 Zagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej W tej grupie zagadnień rozpatrywane są zjawiska zachodzące w układach elektroenergetycznych, w wyniku których powstają narażenia eksploatacyjne układów izolacyjnych w postaci przepięć. Przepięcie niezamierzony eksploatacyjnie wzrost napięcia ponad najwyższe dopuszczalne napięcie robocze. Podstawowe rodzaje przepięć: zewnętrzne źródła tych przepięć pozostają poza systemem elektroenergetycznym; ponieważ podstawowym źródłem są wyładowania atmosferyczne, przepięcia te noszą również nazwę przepięć atmosferycznych (piorunowych) wewnętrzne źródła tych przepięć tkwią w systemie elektroenergetycznym 5 Zagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej Ochrona przeciwprzepięciowa należy obecnie do szczególnie intensywnie rozwijanych obszarów. Stosowane środki i sposoby ochrony przeciwprzepięciowej można ogólnie sklasyfikować na dwie podstawowe grupy: eliminujące nie dopuszczające do powstawania przepięć, jest to tzw. ochrona odgromowa redukujące łagodzące wartość szczytową i stromość narastania przebiegu przepięcia 6 3

4 Zagadnienia techniki probierczo-pomiarowej Technika probierczo-pomiarowa służy do badania zjawisk wytrzymałościowych i przepięciowych. Podstawowe grupy problemów to: wytwarzanie i wykorzystanie wysokich napięć probierczych przemiennych, udarowych i stałych rejestracja i pomiary napięć probierczych (np. napięć udarowych o czasach narastania od nanosekund do mikrosekund i wartościach szczytowych do kilku MV) jest to obecnie intensywnie rozwijany obszar dzięki nowym możliwościom, jakie oferuje mikroelektronika i technika komputerowa 7 Zastosowanie WN w elektroenergetyce Dostarczyć linią elektroenergetyczna L do punktu odbioru O, moc wytwarzaną w generatorze G G ~ moc P cosϕ U =??? L długość linii l O Jakie wybrać napięcie znamionowe generatora (linii)? 8 4

5 5 Im większe napięcie, tym prąd mniejszy... Zależność prądu znamionowego od napięcia znamionowego P = 200 MW, cosϕ = 0,80 9 Jakie będą straty mocy w linii? (1) Moc przesyłana: P = 3UI cosϕ (2) Prąd w przewodzie linii: I = (3) Straty mocy: P 3U cosϕ 2 ΔP = 3I R0l gdzie: R 0 rezystancja jednostkowa linii, Ω/km l długość linii, km 10

6 6 Jakie będą straty mocy w linii? (4) Podstawiając (2) do (3): Δ P 3U cosϕ P = 3 0 (5) Rezystancja przewodu: ρl R0l = s ρl = πr 2 2 R l gdzie: ρ l rezystywność materiału przewodu, Ω mm 2 /km promień przewodu, mm 11 Jakie będą straty mocy w linii? (6) Podstawiając (5) do (4) otrzymujemy: ΔP P = P ρ 2 cos ϕ πr 2 l U 2 100% Wniosek: chcąc ograniczać wielkość strat mocy przy danym P, cosϕ, ρ oraz l należy zwiększać promień r przewodu lub napięcie znamionowe U przesyłu 12

7 7 Przykład Zależność strat mocy od długości i promienia przewodu (Cu) linii U = 15,75 kv, P = 200 MW, cosϕ = 0,80 13 Przykład Wniosek: 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 200 mm!!! masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosiłaby: π 0,2 2 2 kg [m ] 1000[m] ton!!! 3 m istniałyby zasadnicze trudności w budowie takiej linii :-)) 14

8 8 Przykład Zależność strat mocy od długości i napięcia znamionowego linii r = 20 mm, P = 200 MW, cosϕ = 0,80 15 Przykład Wniosek: aby ograniczyć wielkość strat do poziomu 1% przy przesyle na odległość 100 km linią o napięciu 220 kv, należy zastosować przewody o promieniu 20 mm masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosi: 2 2 kg π 0,02 [m ] 1000[m] ton (tylko!) 3 m 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 16

9 9 Rozwiązanie problemu... Należy zastosować TRANSFORMATOR!!! G ~ T L O U L U H 17 Transformatory blokowe (generatorowe) Transformator blokowy 11/420 kv, 154 MV A 18

10 10 Transformatory sieciowe WN i NN Auto transformator sieciowy jednofazowy 750/400 kv, 417 MV A Transformator sieciowy 400/110 kv, 250 MV A 19 Transformatory rozdzielcze dużej mocy 20

11 11 Transformatory rozdzielcze małej i średniej mocy Słupowa stacja transformatorowa SN/0,4 kv z transformatorami do 630 kv A 21 Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych WARUNKI EKSPLOATACJI układów elektroenergetycznych ŚRODOWISKOWE SYSTEMOWE fizyczne chemiczne napięciowe prądowe biologiczne 22

12 12 Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych 23 Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych -narażenia napięciowe 24

13 13 Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych -narażenia napięciowe 25 Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych -narażenia napięciowe 26

14 14 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia przemiennego Do wytwarzania napięć probierczych przemiennych służą zespoły probiercze, które składają się z trzech podstawowych członów: Zasilającego (sieć zasilająca lub generator), Regulacyjnego (TR), Probierczego (TP). Człon zasilający Człon regulacyjny Człon probierczy U p Podstawowe parametry zespołu to: Napięcie znamionowe [U n ], Moc znamionowa [P n ], Napięcie zwarcia [U z ], Moc zwarciowa [P z ]. 27 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia przemiennego Człon regulacyjny powinien: Zapewnić odpowiednią płynność podnoszenia napięcia, Zapewnić odpowiednią prędkość podnoszenia napięcia. Regulacja drobnymi skokami nie powinna przekraczać 0,5% wartości napięcia probierczego. Większe skoki mogą powodować zakłócenia przepięciowe. Wymaga się aby prędkość podnoszenia napięcia probierczego nie była mniejsza od 2% U p /s. Urządzenia służące do regulacji napięcia: Transformatory regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju na zwój, Transformatory Thoma, Transformatory z przesuwanym rdzeniem, Przetwornice elektromaszynowe. 28

15 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia przemiennego Budowa transformatorów probierczych Uzwojenie pierwotne, Uzwojenia wysokiego napięcia (warstwowe bądź cewkowe), Uzwojenie kompensacyjne, Kadź wykonana z tulei izolacyjnej bądź z metalu. 29 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia przemiennego Układy połączeń transformatorów probierczych: Symetryczny, Niesymetryczny (w zależności od sposobu ich zasilania): szeregowy, kaskadowy, równoległo kaskadowy. W układzie symetrycznym stosowanym do badania izolacji międzyfazowej, obydwa bieguny uzwojenia wysokiego napięcia transformatora są wyprowadzone, a środek uzwojenia uziemiony lub nieuziemiony lecz połączony z rdzeniem lub obudową. W układzie niesymetrycznym stosowanym do badania izolacji fazowej, jeden biegun uzwojenia wysokiego napięcia transformatora jest wyprowadzony, a drugi połączony z rdzeniem, obudową i uziemiony

16 16 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia przemiennego Schemat połączenia kaskadowego dwóch transformatorów probierczych, tzw. 2-stopniowa kaskada transformatorów probierczych 250 kv 31 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia stałe Wysokie napięcia stałe stosowane w przypadkach: Pracy izolacji przy napięciu stałym, Pracy izolacji przy napięciu przemiennym, Prób diagnostycznych urządzeń w eksploatacji, Współpracy ze źródłami innych napięć (piorunowych, łączeniowych, generatorów prądów udarowych) Współczesne wysokie napięcia stałe otrzymuje się przede wszystkim na drodze prostowania napięcia przemiennego. Układ taki składa się z zespołu probierczego napięcia przemiennego i zespołu prostowników wysokiego napięcia i filtrów. 32

17 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia udarowe Napięcia udarowe odwzorowują w warunkach laboratoryjnych dwa rodzaje przepięć: przepięcia atmosferyczne wywołane są uderzeniami pioruna odznaczają się krótkimi czasami narastania do 20 μs, dużymi wartościami szczytowymi i czasami trwania do kilkuset mikrosekund przepięcia wewnętrzne szybkozmienne odznaczają się czasami narastania powyżej 20 μs i czasami trwania kilka tysięcy mikrosekund 33 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia udarowe Zasady wyznaczanie czasów charakterystycznych 34 17

18 18 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia udarowe Oscylogram udaru piorunowego Czoło udaru Grzbiet 35 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia udarowe JEDNOSTOPNIOWY GENERATOR UDARÓW NAPIĘCIOWYCH TrWN transformator podwyższający napięcie Pr prostownik R o opornik ładujący C o pojemność główna I iskiernik włączający R 1 opornik tłumiący R o opornik rozładowczy C 2 pojemność izolacji obiektu badanego (+ ew. pojemność dodatkowa) 36

19 19 Źródła probiercze wysokich napięć - napięcia udarowe WIELOSTOPNIOWY GENERATOR UDARÓW NAPIĘCIOWYCH R' o opornik ładujący międzystopniowy I iskiernik międzystopniowy 37 Pomiary wysokich napięć W czasie prób układów izolacyjnych napięciami probierczymi przemiennymi, stałymi oraz udarowymi należy mierzyć wartość napięcia oraz inne związane z nim parametry takie jak: Napięcie przemienne np. wartość skuteczna i maksymalna napięcia probierczego, Napięcie stałe np. wartość średnia, maksymalna, pulsacja, Napięcia udarowe np. wartość maksymalna udaru. Metody pomiaru wysokiego napięcia stałego i przemiennego można podzielić na dwie zasadnicze grupy: Metoda bezpośrednia, Metoda pośrednia. 38

20 20 Pomiary wysokich napięć - metoda bezpośrednia W metodach bezpośrednich do elektrod urządzenia pomiarowego doprowadza się pełną wartość napięcia mierzonego. Do tych metod zalicza się: Pomiary za pomocą woltomierzy elektrostatycznych, Pomiary za pomocą iskierników kulowych. 39 Pomiary wysokich napięć - metoda pośrednia W metodach pośrednich zwykle stosuje się nowoczesne urządzenia pomiarowe, oparte na układach elektronicznych, które przyłączone są do obwodu probierczego tylko za pośrednictwem elementów obniżających mierzoną wartość w ściśle określonym stosunku (przekładnia), do poziomu napięcia urządzenia pomiarowego. Takimi elementami są: Dzielniki, Kondensatory, Oporniki szeregowe, Przekładniki napięciowe, Przetworniki optoelektroniczne. 40

21 Pomiary wysokich napięć - pomiary laboratoryjne i w elektroenergetyce Pomiary laboratoryjne Metoda iskiernika kulowego, Metoda prostownika z kondensatorami szeregowymi, Woltomierze elektrostatyczne, Dzielniki napięciowe. Pomiary w elektroenergetyce Przekładniki napięciowe, Przekładniki kombinowane. 41 Pomiary wysokich napięć - pomiary laboratoryjne i w elektroenergetyce Pojemnościowe przekładniki napięciowe na wejściu linii 400 kv do rozdzielni (w tyle widoczne są odgromniki zaworowe) 42 21