ZASADY OBNIŻENIA KOSZTÓW ENERGII ELEKTRYCZNEJ ORAZ POMNIEJSZANIA WIELKOŚCI NAKŁADÓW INWESTY- CYJNYCH W SYSTEMIE ZASILANIA NA PRZYKŁADZIE OD- DZIAŁU ZG LUBIN Andrzej Kowal Jerzy Tenerowicz 1. Wprowadzenie Utrzymanie produkcji miedzi na założonym poziomie wiąże się z budową oddziałów wydobywczych w coraz bardziej odległych rejonach obszarów górniczych. Dla oddalonych o kilkanaście kilometrów od szybów rejonów wydobywczych dużym problemem jest dostarczanie energii elektrycznej odpowiedniej jakości (istotny jest głównie poziom napięcia). Możliwymi sposobami częściowego zaradzenia istniejącym problemom jest ograniczanie prądów rozruchowych przez stosowanie układów łagodnego rozruchu oraz budowę dodatkowych linii zasilających. Skuteczność tych sposobów jest jednak ograniczona warunkami techniczno-ekonomicznymi. Innym sposobem jest kompensacja mocy biernej. 2. Zasilanie zakładu górniczego O/ZG Lubin Główne urządzenia rozdzielcze zakładu górniczego zasilane są z sieci 6 kv, w której źródłem energii są trzy stacje elektroenergetyczne 110/6kV: KLG, KLZ i KLW. W stacji elektroenergetycznej KLG zainstalowane są trzy transformatory o mocy 31,5 MVA każdy, a w stacjach KLZ i KLW po dwa transformatory o mocy jednostkowej 16 MVA. Dodatkowo z siecią 6 kv w stacji KLG współpracują dwa generatory elektrociepłowni o mocy 12,5 MVA każdy i trzeci o mocy 8,375 MVA. Pomiar rozliczeniowy energii realizowany jest w polach transformatorów po stronie 110 kv stacji KLG, KLZ i KLW oraz w polach 6 kv wymiany z EC.
3 1 5 2 7 4 T1 31,5 MVA TRANSFORMER STATION 110/6kV KLG R 1 6 T2 31,5 MVA R 2 8 T3 31,5 MVA R 3 S 1 S 2 10 7 8 13 14 16 17 18 19 20 21 23 1 3 4 5 7 9 10 11 13 20 21 23 24 1 5 7 8 9 20 21 23 24 G 12,5MVA /8,3MVA G 5MVA 12,5MVA /8,3MVA 5MVA 10 11 16 15 9 13 14 20 TRANSFORMER STATION 110/6kV KLZ SEK. 1 S1 S 4 2 7 8 9 10 12 11 T 1 T 2 18 110/6kV 110/6kV 16MVA 16MVA 12 16 17 20 21 22 23 26 17 19 28 SEK. 2 29 30 31 28 23 25 26 T1 16 MVA 24 SEK. A 4 5 6 7 8 10 13 14 SEK. B 17 19 21 22 11 16 29 27 T2 16 MVA TRANSFORMER STATION 110/6kV KLW Rysunek 1. Ogólny schemat zasilania O/ZG Lubin Odbiorniki energii elektrycznej, w warunkach kopalnianych to głównie silniki asynchroniczne 500V, pobierające oprócz mocy czynnej, także moc bierną indukcyjną, której wartość wynosi około 30% mocy znamionowej. Według stanu na koniec 2007r., O/ZG Lubin pobiera średnio dobowo około 46 MW mocy. Odbiory dołowe pobierają z sieci 6 kv moc bierną w przedziale 11 12 MVAr. Naturalny tgϕ w zakładzie, w układzie z pracującymi silnikami synchronicznymi, wynosi 0,65 natomiast rozliczeniowy tgϕ z zakładem energetycznym wynosi 0,43. W związku z tym należy skompensować moc bierną o wartości ponad 10 MVAr, aby nie ponosić dodatkowych znacznych kosztów wynikających z kar umownych płaconych na rzecz dostawcy energii. Ponadto praca odbiorników przy małej wartości współczynnika mocy cosφ powoduje zwiększony pobór prądów roboczych w stosunku do pracy przy tej samej mocy czynnej i współczynniku mocy bliskim jedności. Niski współczynnik mocy powoduje wiele działań niepożądanych, m.in.: zmniejsza przepustowość sieci zasilających, powoduje konieczność stosowania przewodów o większych przekrojach, zwiększa straty energii czynnej w transformatorach oraz sieciach i instalacjach odbiorczych, zwiększa spadki napięć w transformatorach i liniach zasilających. 3. Kompensacja mocy biernej 3.1. Rys historyczny Zgodnie z początkowymi założeniami, dla O/ZO Lubin podstawowym źródłem mocy biernej w wysokości 4MVAr miały być generatory elektrociepłowni. Pozostałą część mocy biernej w wysokości prawie 8 MVAr należało wytworzyć w silnikach synchronicznych zainstalowanych na powierzchni kopalni i napędzających przetwornice elektromaszynowe, wentylatory głównego przewietrzania i sprężarki stacjonarne. Jednak ze względu na znaczny spadek zapotrzebowania na
energię cieplną, elektrociepłownia dostarczała tylko 1,0-1,5MVAr mocy biernej. Dodatkowym ograniczeniem możliwości kompensacji mocy biernej stała się likwidacja sprężarek powietrza dla potrzeb oddziałów wydobywczych, ze względu na rezygnację z napędów pneumatycznych i likwidację energochłonnych odbiorników sprężonego powietrza, co spowodowało wyłączenie z ruchu części silników synchronicznych. Ponadto, wytwarzanie mocy biernej w silnikach synchronicznych jest ograniczone ich obciążeniem. Powoduje także zwiększenie zużycia mocy czynnej i wynosi dla stosowanych w kopalni silników napędu wentylatorów około 30kW/lMVAr, a dla silników napędów młynów w zakładzie przeróbczym 60-80 kw/1mvar (względne straty mocy czynnej związane z wytwarzaniem mocy biernej są zależne od konstrukcji silnika). Analiza powyższych uwarunkowań doprowadziła do zastosowania baterii kondensatorów instalowanych głównie w sieciach podziemnych jako głównego źródła pojemnościowej mocy biernej. Ujmując problem historycznie zasadniczym celem stymulującym wprowadzenie kompensacji mocy biernej w sieci podziemnej zakładu górniczego Lubin była konieczność poprawy warunków zasilania napięciem 6 kv oddziału górniczego położonego we wschodniej części obszaru górniczego odległego od źródeł zasilania o około 10 km, którego schemat zasilania przedstawiono na rysunku 2. W tym celu włączono do sieci 6 kv w rozdzielni Rd-1.1 pilotażową trójsekcyjną baterię kondensatorową i przeprowadzono stosowne pomiary parametrów sieci elektroenergetycznej przy stałym obciążeniu i zmiennych wartościach mocy baterii. Otrzymano wyniki (przedstawione na rysunku 3), które jednoznacznie świadczyły o zastosowaniu właściwej metody kompensacji. Widać wyraźnie, że włączenie baterii o mocy 1800 kvar spowodowało wzrost napięcia na szynach rozdzielni Rd-1.1 o 3,63 % przy spadku strat przesyłu tylko w linii kablowej Rd-19.2 Rd- 1.l o 3.06%. Rysunek 2. Schemat ideowy zasilania oddziału
Rysunek 3. Przebiegi napięcia, prądu, współczynnika mocy przy P = const. i Q b = kvar Dobór mocy baterii kondensatorów zainstalowanej w rozdzielni 6 kv Rd-1.1 przeprowadzono na podstawie analizy mocy czynnej i biernej systemu elektroenergetycznego zakładu górniczego. Wielkość mocy baterii na podstawie przeprowadzonej analizy wyznaczono ze wzoru: = P( tgϕ tg ) 2 Q b gdzie: P tg tgϕ ϕ 1 1 ϕ 2 - moc czynna - wartość odpowiadająca współczynnikowi mocy przed kompensacją - wartość odpowiadająca współczynnikowi mocy po kompensacji Pozytywne wyniki uzyskane podczas eksploatacji pilotażowej baterii kondensatorów w rozdzielni Rd 1.1 stanowiły uzasadnienie do wprowadzenia kompensacji mocy biernej za pomocą baterii kondensatorów w szerszym zakresie.
Baterie kondensatorów zabudowane w rejonie LW na powierzchni kopalni
3.2. Kompensacja mocy biernej w podziemnych sieciach zakładów górniczych Aktualnie istnieje kilka typów baterii kondensatorów średniego i niskiego napięcia stosowanych w podziemnych zakładach górniczych. Podziemna sieć elektroenergetyczna zasila w zasadzie odbiorniki trójfazowe o obciążeniu symetrycznym, wobec czego wprowadzenie do kompensacji mocy biernej baterii kondensatorów nie stwarza zasadniczo szczególnych problemów technicznych. Sieć ta nadaje się do współpracy z kompensacją indywidualną lub grupową. Kompensacja grupowa polega na kompensacji mocy biernej w wyznaczonym węźle systemu elektroenergetycznego. Kompensację indywidualną stosuje się do kompensacji pobieranej przez indywidualne odbiorniki. O wyborze systemu kompensacji decyduje struktura sieci. W podziemnych zakładach górniczych najskuteczniejszym i ekonomicznie uzasadnionym jest system kompensacji grupowej. Na podstawie doświadczeń ruchowych należy podkreślić korzystne wyniki techniczno-ekonomiczne i zalety ruchowe kompensatorów grupowych wyposażonych w automatyczne układy sterowania i regulacji mocy biernej. 3.3. Korzyści wynikające z kompensacji mocy biernej Przy obecnych cenach energii elektrycznej średni koszt wytworzenia l MVAr energii biernej w maszynach wirujących wynosi ok. 8zł. (do obliczeń przyjęto współczynnik 40kW/lMVAr uwzględniając głównie silniki wentylatorów oraz częściowo silniki napędów młynów) co w skali roku przy rzeczywistych potrzebach na poziomie 10 MVAr wynosi ponad 400 tys. zł bez uwzględnienia kosztów związanych z konserwacjami i remontami ze względu na zwiększone parametry eksploatacyjne maszyn. Mając na uwadze powyższe uwarunkowania, O/ZG Lubin zdecydował się na kompensację mocy biernej indukcyjnej za pomocą baterii kondensatorów. Początkowo kondensatory traktowano bardzo ostrożnie, obawiając się ubocznych zjawisk związanych z ich pracą. Stopniowo jednak stały się urządzeniami sprawiającymi w eksploatacji mało kłopotów, a jednocześnie przynoszącymi duże korzyści techniczne i ekonomiczne tj.: (a) możliwość instalowania w dowolnym punkcie sieci, (b) łatwość dostosowania wielkości mocy do występującego zapotrzebowania, (c) bardzo niskie straty mocy czynnej na poziomie 0,2W/kVAr oraz (d) prosty montaż i praca bez obsługi. Obecnie w O/ZG Lubin są eksploatowane regulowane baterie kondensatorów o łącznej mocy 13,5 MVAr w tym 12,5 MVAr na napięciu 6kV i 1 MVAr na napięciu 500V, co po dodaniu mocy biernej wytwarzanej w generatorach elektrociepłowni, bilansuje zapotrzebowanie mocy biernej kopalni. Korzyści wynikających z zastosowania kompensacji mocy biernej są liczne i wymierne. Należą do nich: 1. Zwiększenie koncentracji wydobycia w odległych od źródeł zasilania rejonach kopalni 2. Zwiększenie zdolności przepustowej transformatorów i linii. Zdolność przepustowa urządzeń przesyłowych wynika z dopuszczalnego ich nagrzewania. Przepływ mocy biernej powoduje konieczność zmniejszenia obciążenia mocą czynną. Zmniejszenie to jest wprost proporcjonalne do współczynnika mocy (cosϕ). Przykładowo, transformator o mocy 400 kva może być przy współczynniku mocy równym 0,6 obciążony tylko mocą czynną o wartości około 240 kw (bez uwzględnienia wpływu wyższych harmonicznych). Na zagadnienie to można spojrzeć także z drugiej strony, tj. ustalić o ile zwiększy się przepustowość elementu sieciowego dla mocy czynnej, gdy zmniejszy się moc bierną przesyłaną przez ten element. Na przykład, jeżeli transformator o mocy 400 kva pracował przy współczynniku mocy 0,6 to dzięki zwiększeniu współczynnika do 0,9 można zwiększyć obciążenie mocą czynną z 240 kw do 360 kw, a więc aż o 30%. Analogicznie przedstawia się sytuacja w przypadku kabli i przewodów przesyłowych. 3. Poprawa warunków napięciowych w kopalni. Spadki napięcia zależą od przepływu składowej czynnej i biernej prądu. W większości przypadków w warunkach kopalni dużej wartość spadku napięcia towarzyszą często wahania napięcia zasilającego odbiorniki o zmiennym obciążeniu i są one bardzo niekorzystne dla ich
pracy. Obniżone napięcie powoduje wzrost prądu (możliwość przegrzania, groźba utknięcia silnika) i zmniejszenie prędkości obrotowej silników asynchronicznych, zmniejszenie natężenia strumienia świetlnego źródeł światła, wadliwe działanie lub wręcz niemożność załączenia aparatury z napędem elektromagnetycznym itp. 4. Poprawa warunków pracy elementów układu. W sieciach znacząco niedokompensowanych w przypadku wystąpienia prądu zwarciowego wolniej dąży on do wartości ustalonej niż w przypadku prądu czynnego. Przy przerywaniu prądu w wyłączniku lub styczniku powstaje łuk elektryczny. Zgaszenie tego łuku jest łatwiejsze wtedy, gdy prąd jest w fazie z napięciem (obciążenie czynne). Wówczas w chwili przechodzenia prądu przez zero nie ma bodźca podtrzymującego palenie łuku, wartość napięcia na stykach aparatu łączeniowego ma także wartość zero. 5. Przesunięcie w czasie realizacji niezbędnych inwestycji. Przykładowo koszt 10 km linii kablowej 6kV wynosi ok. 3 500 000 zł, natomiast koszt układu łagodnego rozruchu kształtuje się na poziomie 15 000 zł za 100 kw. Ponadto metody te nie zawsze rozwiązują problemy związane z zasilaniem odległych rejonów wydobywczych w sytuacji, kiedy przesył energii realizowany jest przy współczynniku tgϕ=1,33 (cosϕ=0,60), a moc zwarciowa w głównych rozdzielniach dołowych nie przekracza 100 MVA. W przypadku O/ZG Lubin instalacja kondensatorów pozwala rocznie uniknąć konieczności inwestowania w budowę linii kablowych celem zasilenia odległych oddziałów wydobywczych na poziomie 1 2 mln. zł. 6. Zmniejszenie strat przesyłu energii. Straty mocy czynnej w sieci zasilającej zależą od kwadratu mocy pozornej, czyli sumy kwadratów przesyłanej mocy czynnej i biernej. Z wyliczeń wynika, że już przy cosϕ=0,7 straty mocy wywołane przesyłem mocy biernej są większe od strat wywołanych przesyłem mocy czynnej. Straty wywołane przesyłem mocy biernej powodują znaczny spadek sprawności układu przesyłowego. Wielkością charakterystyczną dla danego punktu w sieci zasilającej jest tzw. energetyczny równoważnik mocy biernej określający, o ile kw zmniejszą się straty mocy czynnej związane z przepływem energii od źródła zasilania do danego punktu sieci w przypadku redukcji mocy biernej o 1 kvar. Wskaźnik ten jest tym większy, im dłuższe są linie zasilające, im więcej jest stopni transformacji i większe jest obciążenie sieci zasilającej. W sieci kopalnianej energetyczny równoważnik mocy biernej wynosi średnio 0,035 dla sieci 6kV i 0,1 dla sieci 500V. Ze względu na energetyczny równoważnik mocy biernej, zwiększający się wraz ze wzrostem odległości danego punktu sieci, baterie kondensatorów należy instalować w miejscach najbardziej oddalonych w sensie energetycznym, od źródeł wytwarzania energii. Wynika stąd, że najskuteczniejszym gospodarczo środkiem jest zmniejszenie poboru mocy biernej w punktach jej powstawania tj. oddziałach wydobywczych. 7. Redukcja dodatkowych opłat na rzecz zakładu energetycznego związanych z przekroczeniem rozliczeniowego tgϕ. Opłatę za nadwyżkę energii biernej ponad ilość wynikającą ze współczynnika tg φ0 oblicza się według wzoru gdzie : O b opłata za nadwyżkę energii biernej w zł S ZVnk składnik zmienny stawki sieciowej, właściwy dla grupy taryfowej i k-tej strefy czasowej w zł/kwh współczynnik mocy dla k-tej strefy czasowej okresu rozliczeniowego tg kφ
E k m k energia czynna pobrana w k-tej strefie czasowej w kwh - ilość rozliczeniowych stref czasowych - strefa czasowa W przypadku braku kompensacji, przekroczenie poboru mocy biernej z systemu energetycznego (przekroczenie tgϕ) spowodowałoby w skali roku dodatkową, zależną od poziomu przekroczenia) opłatę za pobraną energię. 3.4. Uzasadnienie techniczno-ekonomiczne inwestycji kompensacji w O/ZG Lubin Ze względu na dużą moc bierną pobieraną przez rozproszone odbiory dołowe przyjęto system kompensacji grupowej zrealizowanej za pomocą trzystopniowych regulowanych baterii kompensatorów na napięcie 6 kv i mocy do 1800 kvar oraz regulowanych kompensatorów o mocy 100 kvar na napięcie 500 V. Zwrot nakładów poniesionych na zakup, montaż i uruchomienie kompensacji w O/ZG Lubin nastąpił po trzech latach eksploatacji tak skompensowanej sieci energetycznej. 4. Kompensacja mocy biernej a zjawiska rezonansowe Instalując baterie kondensatorów w sieciach elektroenergetycznych należy się liczyć z zaistnieniem szeregu zjawisk rezonansowych Obwody elektryczne zawierające elementy o charakterystyce nieliniowej są źródłami wyższych harmonicznych. Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, że generatory i kompensatory wirujące są źródłem wyższych harmonicznych napięcia (wymuszenie napięciowe), a przekształtniki tyrystorowe są źródłem wyższych harmonicznych prądu (wymuszenie prądowe) Dodatkowym źródłem wyższych harmonicznych w sieci SN zakładu może być sieć 110 kv skażona przez odbiorców wyższymi harmonicznymi napięcia. Jeżeli bateria zostanie przyłączona równolegle do sieci z odbiornikami wymuszającymi przepływ prądu niesinusoidalnego to wówczas może w obwodzie: sieć zasilająca bateria wystąpić stan rezonans prądów wyższych harmonicznych. Powoduje to odkształcenie sinusoidy napięcia źródła zasilającego oraz przeciążenie prądowe baterii. Indukcyjność sieci i pojemność baterii kondensatorów (bez dławików szeregowych) tworzy układ rezonansowy o częstotliwości własnej wyznaczonej ze wzoru: X C SC frezonans = = f50 Hz = f50hz X S QC S n rezonans gdzie: X C reaktancja baterii, X S reaktancja zastępcza sieci zasilającej (w obliczeniach szacunkowych pominięto rezystancję sieci) S SC - moc zwarciowa w punkcie przyłączenia baterii n rezonans - rząd częstotliwości rezonansowej Q C - moc bierna baterii kondensatorów = 50 Hz f 50Hz Pomiary wykonane w O/ZG Lubin wykazały, że zastosowane do kompensacji mocy biernej baterie kondensatorów nie są przeciążone prądami wyższych harmonicznych. Wpływ na sieć rozdzielczą 6 kv źródeł wyższych harmonicznych, którymi są głównie 12-to pulsowe przekształtniki tyrystorowe maszyn wyciągowych o mocy 4 MVA pracujące z filtrami 5, 7 i 11 harmonicznej, jest znikomy.
5. Wpływ baterii kondensatorów na wartości prądu doziemnego i działanie zabezpieczeń ziemnozwarciowych Podziemne sieci SN i nn O/ZG Lubin pracują w układzie sieciowym IT. Ponieważ zainstalowane baterie pracują w układzie odizolowanym od ziemi, ich pojemność w stosunku do ziemi jest bardzo mała, przez co nie powodują znaczącego wpływu na wartość prądu doziemnego. Przy zwarciu z ziemią nie zmieniają się wartości skojarzone napięcia i z tego powodu pobór prądu przez poszczególne fazy baterii kondensatorów pozostaje bez zmian. Ponieważ baterie kondensatorów zainstalowane w sieciach SN i nn pracujących w układzie sieciowym IT nie mają istotnego wpływu na prąd doziemny, automatyka zabezpieczeniowa przed zwarciami doziemnymi może być dobierana jak dla sieci bez załączonych baterii. 6. Wnioski końcowe Zastosowanie kompensatorów kondensatorowych w O/ZG Lubin przyniosło spodziewane efekty techniczne i ekonomiczne. Trzeba jednak zdawać sobie sprawę, że kompensacja mocy biernej może być stosowana tylko do poziomu jej zapotrzebowania przez odbiory. W O/ZG Lubin poziom ten wynosi obecnie 11 do 12 MVAr. W przypadku znaczącego wzrostu koncentracji wydobycia w odległych rejonach kopalni koniecznym stanie się przedsięwzięcie innych środków technicznych. Obecnie realizowane prace zmierzają do opracowania poprawnej technicznie i opłacalnej ekonomicznie metody zasilania w energię elektryczną odległych oddziałów wydobywczych polegającej na ich elektrycznej separacji. Wszystkie koncepcje rozwojowe układu elektrycznego powinny być prowadzone również pod kątem widzenia racjonalnej gospodarki mocą bierną, zarówno w sieciach przesyłowych jak i w odbiornikach. Podstawą racjonalnej gospodarki powinna być systematyczna statystyka obciążeń, rozpływu mocy i energii biernej. Na podstawie doświadczeń w O/ZG Lubin można stwierdzić, że stosowanie systemu kompensacji mocy biernej opartej o baterie kondensatorów znakomicie wpływa na poprawę parametrów zakładowej sieci energetycznej i jest inwestycją bardzo opłacalną. Literatura 1. Chapman D.: Introduction. Power Quality Application Guide 1.1. www.lpqi.org. 2. Fassbinder A.: Harmonics Capacitors in harmonic-rich environments. Power Quality Application Guide 3.1.2. www.lpqi.org. 3. Hanzelka Z. Power Quality part 4: Voltage and current harmonics, section 5: Capacitor bank switching process (in Polish), http://www.twelvee.com.pl/1761320410.php. 4. Markiewicz H., Klajn: Voltage disturbances Standard EN 50160. Power Quality Application Guide 5.4.2. www.lpqi.org. 5. Electricity tariff, EnergiaPro Koncern Energetyczny SA 2007.