Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Pile Instytut Politechniczny LABORATORIUM ELEKTROENERGETYKI

Państwowa WyŜsza Szkoła Zawodowa w Pile Instytut Politechniczny LABORATORIUM ELEKTROENERGETYKI INSTRUKCJA DO ĆWICZENIA NR 1 MODELOWANIE I LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH 1. CEL ĆWICZENIA Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze stosowanymi ozwiązaniami konstukcji wspoczych i pzewodów linii elektoenegetycznych, właściwym doboem w zaleŝności od pzesyłanej mocy oaz ze sposobem modelowania tych linii. 2. PRZEBIEG ĆWICZENIA 2.1. Wpowadzenie W ćwiczeniu zostanie podana pzez powadzącego watość mocy i odległość na jaką moc ta ma zostać pzesłana. Zadaniem jest optymalny dobó napięcia znamionowego linii elektoenegetycznej, odpowiednich pzewodów oaz konstukcji wspoczych a takŝe wyznaczenie schematu zastępczego dobanej linii. W celu wykonania zadania naleŝy posłuŝyć się pogamem Linpa 2.0 oaz katalogami konstukcji wspoczych linii napowietznych. Wiadomości teoetyczne potzebne do wykonania ćwiczenia zestawiono w załączniku 1. 2.2 Instukcja uŝytkowania pogamu komputeowego Linpa 2.0 Po uuchomieniu pogamu na ekanie komputea pojawi się ekan powitalny. Klikając na niego nastąpi wczytanie części danych i wyświetli się Menu główne. Ekan powitalny

2 Wpowadzanie i edycja danych Menu główne Pogam został napisany w taki sposób, aby moŝna było wpowadzać dane w 3 etapach: Etap I uzupełnianie poszczególnych pól z danymi potzebnymi do zapisu w apocie obliczeń tj. nume tematu, gupa, etc; Etap II wpowadzenie danych wejściowych (stosownie do zaleceń powadzącego zajęcia); Etap III zatwiedzenie wpowadzonych danych. Po wykonaniu wspomnianych tzech etapów oaz ich zaakceptowaniu (pzycisk ZAPISZ DANE) nastąpi zablokowanie edycji wpowadzonych danych. Ewentualne zmiany są moŝliwe po wybaniu opcji z menu: Zmień dane (Ctl+Z). Okno edycji jest wyposaŝone w menu, z któego moŝna wywołać bezpośednio systemowy kalkulato do wykonywania podęcznych obliczeń: Kalkulato (Ctl+K) oaz notatnik do ewentualnych uwag i obsewacji: Notatnik (Ctl+N). ETAP I ETAP II Menu główne pogamu Linpa 2.0 ETAP III Aby zatwiedzić wpowadzone dane, klikamy na pzycisk: ZAPISZ DANE. Potwiedzeniem popawności wpowadzonych danych jest blokada edycji danych oaz odblokowanie pzycisków odwołujących się do tabel okeślających oientacyjne watości pądu oaz mocy.

3 Tablice wspomagające obliczenia Zaimplementowane w pogamie tablice słuŝą do wyznaczania watości oientacyjnych, potzebnych w dalszej części ćwiczenia. Powót do menu Menu głównego następuje popzez naciśnięcie pzycisku: POWRÓT, bądź wybó z menu podęcznego pozycji: Powót (Ctl+P). Naciśnięcie pzycisku: OBLICZENIA w Menu głównym spowoduje załączenie się modułu odpowiedzialnego za obliczenia.

4 OBLICZENIA Ta część pogamu została zapojektowana w ten sposób, aby uŝytkownik mógł dokonywać wyboów w postaci kolejnych uchów załączając poszczególne panele. Na tym etapie, w kaŝdej chwili, moŝliwa jest zmiana wcześniej wpowadzonych danych. Jakakolwiek wpowadzona zmiana danych skutkuje ponownymi obliczeniami wykonanymi w poszczególnych kokach. Panel wybó poziomu napięcia A B C Postępując zgodnie z wytycznymi powadzącego zajęcia, uŝytkownik dokonuje wybou poziomu napięcia znamionowego (110, 220, 400, 750 kv) [pole A]. PoniŜej automatycznie jest pzeliczana, zgodnie z pzedstawionym wzoem, watość napięcia fazowego [pole B]. Akceptacja wpowadzonych paametów następuje popzez wybó pzycisku DALEJ [pole C].

5 Panel wybou pzewodu A B D C W panelu tym wybieamy odzaj pzewodu oaz jego pzekój znamionowy (Rodzaj pzewodu oaz Pzekój znamionowy [pole A]). W śodkowej części wyświetlane są, stosownie paamety katalogowe [pole B]. Ponadto popzez naciśnięcie pzycisku OPIS pojawiają się Zalecenia do stosowania pzewodów stalowo-aluminowych( ) ułatwiające wybó pzewodu w zaleŝności do zaplanowanego poziomu napięcia [pole C]. Akceptacja wpowadzonych danych i dalsze obliczenia są dokonywane po wybaniu DALEJ [pole D].

6 Panel wybou konstukcji wspoczej A C B W panelu tym dokonujemy wybou konstukcji wspoczej zastosowanej w pojektowanej linii. Umieszczone w fomulazu ozwijane pola decyzji [pole A] słuŝą do wybou konstukcji (S24, S52, H52, ML52 ) bądź tzw. konstukcji dowolnej (do samodzielnego zapojektowania). Pzy kaŝdej pozycji, zamieszczono w nawiasach poziomy napięć, pzy któych dane konstukcje są stosowane [pole A]. W pzypadku wybou Konstukcji dowolnej niezbędne jest wpowadzenie paametów konstukcyjnych tj. układu pzewodów, odstępów pomiędzy nimi (b1, b2, b3) w odpowiednich polach edycji. W następnym koku dokonuje się wybou liczby pzewodów w wiązce (n = 1 do 4). Ponadto dla pzewodów wiązkowych (n 2) tzeba podać odstępy pomiędzy pzewodami w wiązce w stosownych polach [a = ]. W zaleŝności od dokonanego wybou uŝytkownik moŝe zobaczyć na ysunku odzaj wybanej pzez siebie konstukcji [pole B], a jej dane techniczne (pzycisk DANE KATALOGOWE) [pole C] zostaną wyświetlone na dodatkowym panelu. Stosowne pzeliczenia paametów, zgodnie z zamieszczonymi wzoami, dokonujemy popzez naciśnięcie pzycisku OBLICZENIA. Natomiast naciśnięcie pzycisku DALEJ potwiedza zaakceptowanie wpowadzonych danych.

7 Panele obliczające paamety jednostkowe A Panel 1 Panel 2 Na panelu 1 dokonujemy wybou, częstotliwości sieciowej (50, 60 Hz) [pole A]. Następnie, popzez naciśnięcie pzycisku OBLICZENIA, dokonujemy obliczeń paametów jednostkowych: ezystancji, indukcyjności oaz eaktancji (panel 1) oaz pojemności i susceptancji (panel 2), zgodnie z pzedstawionymi na nich wzoami. Naciśnięcie pzycisku DALEJ powoduje pzejście do następnej zakładki z paametami.

8 Panel obliczający stan oaz paamety ulotu W panelu tym dokonujemy obliczeń (pzycisk OBLICZENIA) stanu ulotu oaz paametów zjawiska ulotu. Naciśnięcie pzycisku DALEJ powoduje akceptację oaz pzejście do następnej zakładki. Panele obliczające poszczególne paamety linii A Panel ten umoŝliwia ewentualną zmianę długości linii [A] zakładanej na etapie wpowadzania danych w Menu głównym.

9 KaŜda zmiana długości linii wymaga zatwiedzenia, pzez uŝytkownika, nowo wpowadzonej watości długości pojektowanej linii. W następnych zakładkach popzez naciśnięcie pzycisku OBLICZENIA następuje, zgodnie z zamieszczonymi na nich wzoami, pzeliczenie poszczególnych paametów linii. Otzymane wyniki są automatycznie wyświetlane na poszczególnych elementach schematu zastępczego pojektowanej linii. Panel Schemat zastępczy linii elektoenegetycznej Na panelu tym wyświetlony jest wypadkowy schemat z podanymi watościami poszczególnych paametów. W polu Dukowanie (pzycisk DRUKUJ RAPORT OBLICZEŃ) istnieje moŝliwość wydukowania otzymanych wyników w postaci.

10 2.3. Kolejność czynności w ćwiczeniu 1. Uuchomić pogam Linpa 2.0. 2. Dla zadanej mocy pzesyłanej dobać odpowiednie paamety techniczne linii zgodnie ze wskazaniami powadzącego i podaną wyŝej instukcją uŝytkowania pogamu. Notować uzasadnienia doboów celem zamieszczenia ich w spawozdaniu 3. Dokonać obliczeń wpowadzając niezbędne dane. 4. Wydukować apot obliczeń. 3. ZAWARTOŚĆ SPRAWOZDANIA Opócz części standadowych i części wynikających z pzebiegu ćwiczenia spawozdanie powinno zawieać: Uzasadnienie wszystkich dokonanych wyboów paametów technicznych linii. Rapot obliczeń. Obliczenia analityczne dla podanych pzez powadzącego elementów schematu zastępczego Szczegółowe wnioski wynikające z ćwiczenia oaz analizę wyników na bazie teoetycznej. LITERATURA 1. J. Adamska, R. Niewiedział: Podstawy elektoenegetyki. Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań 1989. 2. K. Kinsne, A. Sewin, M. Sobieajski, A. Wilczyński: Sieci elektoenegetyczne. Wyd. Politechniki Wocławskiej, Wocław 1993. 3. Poadnik inŝyniea elektyka. Tom 3. WNT, Waszawa 2005.

11 ZAŁĄCZNIK 1 SCHEMATY ZASTĘPCZE LINII ELEKTROENERGETYCZNYCH WN i NN 1. Obliczanie paametów schematu zastępczego linii elektoenegetycznej Dla linii WN i NN o długości mniejszej niŝ 400 km stosujemy schemat zastępczy typu Π w postaci paametów skupionych. W ogólnym schemacie zastępczym linii elektoenegetycznej wysokiego napięcia występują cztey paamety: ezystancja R L, eaktancja indukcyjna X L, susceptancja pojemnościowa B L oaz konduktancja G L (nie zawsze ją uwzględniamy). PoniŜej podane się sposoby obliczania watości impedancji i admitancji linii elektoenegetycznej, któej schemat pzedstawiono na ys. 1. Obliczenia dotyczą 1 fazy. Rys. 1. Schemat zastępczy typu π dla linii elektoenegetycznej Rezystancja linii Rezystancję linii, ównoznaczną z ezystancją pzewodów linii, moŝna oblicza się z wzou: R L = Ro l pzy czym: Ro - ezystancja jednostkowa [Ω/km], l - długość [km]. Watości ezystancji jednostkowej linii podawane są w odpowiednich nomach dotyczących pzewodów stosowanych w liniach elektoenegetycznych. Wykozystanie ich pozwala w najdokładniejszy sposób okeślić ezystancję linii.

W pzypadku baku danych moŝna obliczyć: R L 12 l = γ s pzy czym: γ - konduktywność mateiału pzewodowego (dla pzewodów AFL uwzględnia się γ Al ) [m/ω mm 2 ], s - zeczywisty pzekój pzewodów (dla pzewodów AFL uwzględnia się tylko pzekój części aluminiowej) [mm2]. W ten sposób dla pzewodów AFL uzyskuje się watość pzybliŝoną R L. Do obliczeń ezystancji pzyjmuje się najczęściej wielkości l, γ, s dla tempeatuy 20oC, zakładając Ŝe w ganicach spotykanych tempeatu zmienność tych wielkości w funkcji tempeatuy jest pomijalnie mała. Reaktancję linii oblicza się ze wzou: Reaktancja linii XL = Xo l = ω L o l któym: X o - ezystancja jednostkowa [Ω/km], l - długość linii [km]. Lo - jednostkowa indukcyjność obocza jednej fazy [H/km] MoŜna teŝ skozystać z odpowiednich tablic. Indukcyjność jednostkowa linii dwupzewodowej - L 0 Indukcyjność linii zaleŝy od stosunku stumienia magnetycznego do pądu oboczego, któy stumień wywołał. Watość jednostkowej indukcyjności oboczej pzewodu linii napowietznej w H/km moŝna wyznaczyć z zaleŝności: L 0 = Ψ i pzy czym b - odległość między pzewodami, - pomień pzewodu 0 µ 0 ( µ 2π z ln b µ + 4 µ 0 = 4 π 10 4 pzenikalność magnetyczna póŝni, H/km, µ z ~ 1 - względna pzenikalność powietza, µ p - względna pzenikalność mateiału pzewodu, dla mateiałów paamagnetycznych i diamagnetycznych (miedź, bąz, aluminium) moŝna w pzybliŝeniu pzyjąć 1. Po podstawieniu odpowiednich watości otzymujemy: p )

13 L 0 b = (4,6 lg + 0,5) 10 4 H / km L 0 b = 4,6 lg 10 0,7788 4 H / km Indukcyjność jednostkowa linii tójfazowych - L 0 Indukcyjność obocza jednego pzewodu linii tójfazowej, w któym układ pzewodów jest symetyczny pod względem indukcyjnym wyaŝa się podobnym wzoem: a po pzekształceniu: pzy czym: b 3 ś L1L2 L1L3 L L 0 0 b = (4,6 lg ś + 0,5) 10 bś = 4,6 lg 10 0,7788 L2L3 4 4 H / km H / km = b b b - śednia geometyczna odległość pomiędzy pzewodami w układzie tójfazowym dla jednotoowych linii symetycznych lub symetyzowanych dla symetycznych układów pzewodów b ś = b dla płaskiego układu pzewodów 3 b = 2 b Jeśli wszystkie pzewody linii tójfazowej są w ównych waunkach pod względem magnetycznym, to linia jest symetyczna magnetycznie. Liniami symetycznymi pod względem magnetycznym są na pzykład linie napowietzne i kablowe, któych pzewody ułoŝone są w wiezchołkach tójkąta ównobocznego. W układach niesymetycznych o znacznej niesymetii ś wskazana jest symetyzacja ze względu na óŝne spadki napięć. Symetyzację ealizuje się pzez pzeplatanie pzewodów. Indukcyjność jednostkowa linii tójfazowych z pzewodami wiązkowymi L 0 b = (4,6 lg ś z 0,5 + ) 10 m 4 H / km W liniach najwyŝszych napięć w fazach oboczych są stosowane pzewody wiązkowe, dla któych w obliczeniach indukcyjności okeśla się pomień zastępczy - z. Dla wiązki złoŝonej z m pzewodów watość z wyznacza się ze wzou:

14 m (m 1) z = a ś pzy czym: - pomień pojedynczego pzewodu naleŝącego do wiązki, a m ś = a1 a 2... a - śedni geometyczny odstęp między pzewodami tej samej wiązki, m a 1, a 2,...a m - odległości między kolejnymi pzewodami wiązki. Dla pzewodów wiązkowych śednią odległość oblicza się ównieŝ ze wzou na b ś, pzy czym b 1, b 2, b 3 są to odległości między śodkami geometycznymi wiązek pzewodów fazowych. Dla 3-fazowych linii dwutoowych, pzy załoŝeniu symetii fazowej linii dwutoowej obciąŝonej symetycznie (bak oddziaływania tou na to), wyznacza się odębnie bś dla kaŝdego tou taktując je niezaleŝnie. Dla linii niepzeplatanych o znacznej niesymetii naleŝałoby liczyć oddzielnie śednią odległość dla poszczególnych pzewodów. Susceptancja linii W linii występują pojemności wzajemne między pzewodami oaz pojemności między pzewodami a ziemią. MoŜna wykazać, Ŝe pojemność dla jednej fazy linii symetycznej pojemnościowo jest ówna sumie pojemności cząstkowej tej fazy względem ziemi oaz potójnej watości pojemności cząstkowej wzajemnej, pzy czym pojemności poszczególnych faz są w tym pzypadku jednakowe. Susceptancja linii, wyaŝona w S, wynosi: B L = B o l = ω C o l pzy czym: B o - susceptancja jednostkowa [S/km], C o - pojemność jednostkowa obocza pzewodu [F/km]. Pojemność jednostkowa linii dwupzewodowej q0 C0 = v q 0 - ładunek elektyczny ównomienie ozłoŝony wzdłuŝ pzewodu pzypadający na v jednostkę długości, - óŝnica potencjałów na powiezchni dwóch pzewodów. Pojemność jednostkowa linii tójfazowej, F/km W paktyce oblicza się watość pojemności jednostkowej dla dowolnego pzewodu linii napowietznej symetycznej pojemnościowo z pzybliŝonego wzou:

15 0,02415 C 0 = b 10 ś lg Pojemność linii zaleŝy od tych samych wielkości geometycznych co indukcyjność. Dla linii z pzewodami wiązkowymi zamiast pomienia zeczywistego naleŝy pzyjąć wielkość zastępczą z okeśloną wcześniej (pzy ozpatywaniu indukcyjności). Symetię pojemnościową w układzie niesymetycznym pojemnościowo moŝna uzyskać pzez pzeplatanie pzewodów. Dla linii dwutoowych watość C o mnoŝy się pzez 2. Wpływ pzewodów jednego tou na pzewody dugiego tou moŝna całkowicie usunąć, bez względu na ozmieszczenie pzewodów, pzez odpowiedni sposób pzepleceń (tzykotnie większa częstość pzepleceń w jednym toze niŝ w dugim). 6 Konduktancja linii Repezentuje ona staty mocy czynnej popzecznej - staty związane z upływem pądu na izolacji oaz staty związane ze zjawiskiem ulotu. PoniewaŜ pąd upływnościowy w liniach posiada małą watość, konduktancję uwzględniamy wówczas, gdy występuje zjawisko ulotu. Zjawisko to zaistnieje, gdy obocze napięcie fazowe linii będzie większe od napięcia kytycznego: JeŜeli pzyjmuje się G 0 = 0 U f > U f U f U f Napięcie kytyczne [kv] wyznacza się na podstawie wzou empiycznego pzy czym: - pomień pzewodu [cm] U f k k k b = 48,9 mp ma δa lg ma - współczynnik zaleŝny od waunków atmosfeycznych, (m a = 1 doba pogoda, m a = 0,8 pogoda deszczowa) mp - współczynnik zaleŝny od stanu powiezchni pzewodu: 1 pojedynczy nowy dut, (0,93-0,98) - dut stay, (0,83-0,87) - linka, δ - gęstość powietza będąca funkcją ciśnienia atmosfeycznego p a, [hpa] i tempeatuy t [ o C] δ a = 0 a,302 p 273 + t δ a =1 dla p a =980 hpa i t=25 o C ś

16 W niezbyt częstych w paktyce pzypadkach, gdy stwiedzi się, Ŝe ulot wystąpi, oblicza się konduktancję jednostkową ze wzou: pzy czym: G 0 P = U u0 2 fś P u0 jednostkowe staty mocy czynnej na ulot, MW/km, U f ś śednia watość napięcia fazowego, kv 2 1 2 U f + U U f ś = 2 2 f 2 U f 1, U f 2 napięcia fazowe na początku i na końcu linii, kv Staty mocy związane z ulotem okeśla wzó [MW/km]: 2,41 P = (f + 25) δ a b ś (U Dla f = 50 Hz i δ a =1 wzó pzyjmie postać [MW/km]: P = 0,18 b ś f f (U U U 2 f k) W obecnych ealiach technicznych podane wyŝej postępowanie obliczeniowe jest obaczone dość znacznymi błędami. Było ono pzydatne w pzeszłości, gdy stosowano małe pzekoje pzewodów, natomiast obecnie jego uŝyteczność jest mała. Pzytoczono je ze względów dydaktycznych, w celu zobazowania, od jakich paametów zaleŝy watość stat ulotowych. Ulot jest zjawiskiem niepoŝądanym, gdyŝ: powoduje staty mocy czynnej w liniach (w liniach 220 i 400 kv zędu kilkadziesiąt kw/km), powoduje uszkadzanie powiezchni pzewodu (spzyja powstawaniu związków azotowych, któe uszkadzają powiezchnię pzewodu), jest źódłem zakłóceń elektomagnetycznych, któe ozchodzą się w postaci fal elektomagnetycznych (zakłóca pacę: odbioników adiowych, telewizyjnych, linii telekomunikacyjnych,...). Zjawisko ulotu naleŝy eliminować, odpowiednio dobieając paamety konstukcyjne linii. W tym celu w liniach najwyŝszych napięć stosuje się pzewody wiązkowe, któe zachowują się jak jeden pzewód o znacznie większym pomieniu zastępczym z, co powoduje podwyŝszenie napięcia kytycznego. f k ) 10 2 3 10 W paktyce dla większości linii konduktancję moŝna pominąć. 6