1. No category

Padci napetosti
Podiplomski študij
Elektroenergetika
Sodin Denis
Ljubljana, 2015
Kazalo
Uvod ...................................................................................................................... 3
Dovoljene meje padcev napetosti .......................................................................... 3
Problematika padcev napetosti ............................................................................. 5
Izračun padcev napetosti ....................................................................................... 6
Načini znižanja padcev napetosti ......................................................................... 10
Serijski kondenzatorji ....................................................................................... 11
Paralelni vod .................................................................................................... 13
Regulacija napetosti ......................................................................................... 14
Shuntni kondenzatorji ...................................................................................... 15
Vprašanja in odgovori .......................................................................................... 16
Viri in literatura .................................................................................................... 17
Uvod
Napetost mora biti v vsaki točki sistema mora biti približno konstantna, saj je
kvaliteta napetosti en glavnih ključev za dosego kvalitetne električne energije. V
svoji seminarski nalogi se bom tako posvetil padcem napetosti na omrežju, zakaj
nastanejo, kakšna je njihova dovoljena meja in kako jih zmanjšamo.
Dovoljene meje padcev napetosti
Po Pravilniku o tehničnih normativih za nizkonapetostne električne inštalacije (Ur.
l. SFRJ št. 53/88) padec napetosti ne sme odstopati od nazivne vrednosti za več
kot:
- 3% za električne inštalacije razsvetljave, če računamo od točke napajanja
(npr. hišnega priključka);
-
5% za električne inštalacije razsvetljave, če računamo od transformatorske
postaje;
-
5% za električne inštalacije ostalih porabnikov, če računamo od točke
napajanja (npr. glavnega priključka objekta);
-
8% za električne inštalacije ostalih porabnikov, če računamo od
transformatorske postaje;
- od tega 0,5 % med števcem in glavnim razdelilcem.
Električno dimenzioniranje vodnikov oz. kablov pomeni dimenzioniranje glede na
padec napetosti. Z električnim dimenzioniranjem preprečimo, da bi napetost na
porabniku bila izven dovoljenega obsega.
Problematika padcev napetosti
Za opremo ki je priklopljena na omrežje je predvideno, da obratuje pri določeni
napetosti. Vsak odjemalec električne energije bi torej moral biti napajan z enako
amplitudo napetosti, da bi naprave lahko obratovale pri napetosti za katero so
dimenzionirane. Problem pa je, da se nam na vsakem elementu omrežja pojavi
padec napetosti (generator, prenos, distribucija, notranja napeljava uporabnikov)
in tako je napetost od porabnika do porabnika različna. Porabniki ki odjemljejo
veliko moč iz omrežja oz. so napajani preko velike impedance so tako izpostavljeni
največjim padcem napetosti/najnižji napetosti. Vemo namreč, da je padec
napetosti proporcionalen velikosti toka in celotne impedance med virom in
uporabnikom. Tako imajo uporabniki, ki so najbližje virom energije najnižje padce
napetosti, le ti pa se večajo, bolj kot se od vira oddaljujemo. Če hočemo, da so
torej vsi odjemalci napajani z energijo pri enaki, konstantni vrednosti napetosti oz.
znotraj dovoljenih odstopanj bi povečali stroške dobavitelju energije, ki mora te
padce napetosti spraviti znotraj dolovljenih mej tudi za najbolj oddaljene
porabnike. Po drugi strani pa bi morala biti oprema če bi se hoteli izogniti temu
strošku, načrtovana za veliko večji razpon napetosti, kar bi posledično pomenilo
veliko dražje naprave in strošek za uporabnike. Zato je bil sprejet kompromis med
dobavitelji energije in izdelovalci opreme, ki so se dogovorili za nek standard, ki bi
se ga naj oboji držali, da bodo stroški čim manjši za obe strani.
Izračun padcev napetosti
Predpostavimo, da je naše breme ohmsko-induktivnega karakterja.
Padec napetosti lahko z enačbo zapišemo kot:
Pri čemer je:
Potem sledi:
Če sedaj predpostavimo še da je:
, potem vidimo da sta
kazalca napetosti
in
v fazi. Zapišimo sedaj poenostavljeno obliko enačbe:
Očitno je torej naš padec napetosti potem:
Ponavadi nas v omrežju zanimajo relativni in ne absolutni padci napetosti. V ta
namen obe strani enačbe delimo z in dobimo enačbo za relativen padec
napetosti:
Enačbo bomo še malo preuredili, tako da bomo števec in imenovalec pomnožili
z .
Opomba: ker smo delali s fazno napetostjo in 1-fazno močjo moramo formulo za
3-fazni padec napetosti še nekoliko preoblikovati:
To sedaj vstavimo v prejšnjo formula za 1-fazen relativen padec napetosti in
dobimo formulo za 3-fazen relativen padec napetosti:
Vidimo torej, da sta formuli identični.
Vseeno pa se moramo zavedati, da smo naredili poenostavitev, saj smo
predpostavili:
. Zaradi tege je naša enačba
zgolj približna.
Brice (1982) je pokazal da je enačba vseeno za večino distribucijskih situacij dovolj
natančna. Aproksimacija ima napako manjšo od 1% , če je kot med napetostjo na
viru in napetostjo na porabniku manjši od 8 , kar pa je v večini distribucijskih
omrežij res. Največje napake se pojavijo pri visokih tokih in kapacitivnih faznih
kotih. Večina distribucijskih programov pa za izračun padcev tako ali tako
uporablja točno formulo s kompleksnimi kazalci in nam ta formula služi zgolj da
dobimo hitro oceno. Vseeno pa si s pomočjo te aproksimativne enačbe osvetlimo
2 primera.
-
Breme je pretežno ohmskega značaja
Pri visokih faktorjih moči (
), je padec napetosti odvisen predvsem od
upornosti prevodnikov. Pri
je
; tako upornost igra
glavno vlogo pri padcu napetosti kljub temu, da je navadno manjša od reaktance.
-
Breme je reaktivnega značaja
Pri srednjih oz. nizkih faktorjih moči pa glavno vlogo pri padcu prevzame
reaktanca. Pri
je
in ker je reaktanca večja od upornosti
nam bremena takšnega značaja povzročijo visoke padce napetosti.
Načini znižanja padcev napetosti
Že iz enačbe
vidimo nekaj načinov kako bi lahko padec napetosti znižali:
-
Zvišanje faktorja moči:
Vodniki z večjim presekom: zmanjšamo
Zmanjšanje bremena: zmanjšamo
Zmanjšanje oddaljenosti porabnika: zmanjšamo
in
Sedaj bom opisal nekaj metod, kako se v praksi lotimo zniževanja padcev
napetosti.
Serijski kondenzatorji
Distribucijske vode lahko predstavimo z upornostjo in reaktanco . Tok, ki
teče čez ta elementa nam povzroča padec napetosti, ki je vse večji bolj kot se
oddaljujemo od vira napetosti. Če torej v naše omrežje vključimo serijske
kondenzatorje, se bo na njih pojavil kapacitiven padac napetosti, ki pa je v
protifazi z induktivnim padcem napetosti, ki se nam pojavlja na . Na tak način
nam kondenzatorji dvigujejo napetost na vodih. Prav tako pa nam serijski
kondenzatorji v primeru, da je prenešena moč na vodu konstanta, zaradi dviga
napetosti zmanjšajo tok, s tem pa tudi izgube na vodu.
Tudi iz slike se lahko prepričamo, da nam serijski kondenzatorji padce napetosti
omilijo, zlasti pri zelo oddaljenih odjemalcih je razlika v napetosti z in brez
kondenzatorjev več kot očitna.
Paralelni vod
Če v omrežje dodamo paralelni vod s tem znižamo parametra upornosti in
reaktance in posledično tudi padce napetosti. Padec napetosti je torej odvisen
od števila vzporednih vodov, vendar pa nas tukaj omejujejo finance, saj vsak
dodaten vod v sistemu predstavlja strošek izgradnje, kasneje pa tudi vzdrževanja.
Poleg tega imamo lahko še težave pri umestitvi v prostor (pridobitev soglasij,
birokracija). Tako imamo na eni strani dobre lastnosti, kot so manjši padci
napetosti, večja zanesljivost omrežja po drugi strani pa nas kot vedno omejuje
denar in birokracija.
Regulacija napetosti
Naloga lastnika omrežja se zdi precej preprosta: oskrbovati odjemalce z
napetostjo z v naprej določeno vrednostjo. Na žalost pa se vmešajo zakoni fizike z
izgubami v sistemu, ki morajo bit korigirane in regulirane, če hočemo ostati
znotraj dovoljenih meja napetosti. V ta namen uporabljamo regulatorje napetosti.
Gre za avtotransformatorje z avtomatsko nastavljivimi odcepi. Navadno imajo ti
regulatorji možnost nastavljanja napetosti od -10 do +10 % z 32 stopnjami od
katerih vsaka spremeni amplitude napetosti za 0.625%. Regulatorje potem ločimo
glede na njihovo zmožnost spreminjanja amplitude glede na obremenitev – se
pravi določeni regulatorji lahko napetost dvignejo le kadar so razbremenjeni
(breme moramo odklopiti, dvigniti napetost in nato zopet priklopiti breme), med
tem ko drugi lahko obratujejo tudi v obremenjenm stanju. Regulatorje tako kot
paralelne kondenzatorje namestimo vzdolž omrežja da nam z dvigom napetosti
kompenzirajo padce napetosti.
Shuntni kondenzatorji
Glavna naloga shuntnih kondenzatorjev je izboljšava faktorja moči, ki je količnik
delovne in navidezne moči.
nam ilustrira zvezo med delovno močjo, ki
opravlja realno delo, in jalovo močjo, ki je potrebna da nam elementi kot so
transformator in motor obratujejo. Ker je v industriji in omrežjih večina teh
elementov induktivnega značaja, je tudi jalova moč običajno induktivnega
karakterja. Jalov tok, ki teče do bremena ne vpliva na delovno moč, ki jo breme
zahteva, vendar breme kljub temu obremenjuje omrežje z vektorsko vsoto
delovnega in jalovega toka. Tok na induktivnem bremenu zaostaja za napetostjo
med tem ko je na kondenzatorju ravno obratno, saj tok tam prehiteva napetost.
Kondenzator tako lahko na nek način predstavimo kot vir induktivne jalove moči
in jih uporabljamo v bližini velikih induktivnih bremen. Jalova komponenta toka se
tako ‘’pretaka’’ zgolj med kondenzatorjem in porabnikom in omrežje čuti
induktivno breme kot upor, ki mu mora dovajati zgolj delovno moč. Na ta način je
tok, ki ga breme zahteva od omrežja seveda manjši s čimer so manjše tudi izgube
v omrežju.
Vprašanja in odgovori
1. Zakaj so padci napetosti problem?
Večina elektronskih naprav je dimenzionirana da deluje znotraj določenega
intervala amplitud napetosti. Kadar so padci napetosti preveliki se lahko
zgodi, da bo določen odjemalec napajan z napetostjo, ki ni znotraj nazivnih
odstopanj, kar pa lahko povzroči, da bodo nekatere izmed njegovih naprav
utrpele poškodbe ali celo prenehale delovati.
2. Kako običajno računamo procentualne padce napetosti? Kaj pri tem
izračunu predpostavimo?
Procentualne padce napetosti računamo po enačbi
Pri čemer predpostavimo da sta napetosti pred in po padcu napetosti v fazi
oz.
.
3. Naštej načine s katerimi v praksi znižujemo padce napetosti!
Serijski kondenzatorji, shuntni kondenzatorji, paralelni vodi, regulatorji
napetosti.
Viri in literatura
- Sallam Abdelhay A., Malik Om P.: Electric distribution systems. IEEE Press,
2011.
- Colin Bayliss and Brian Hardy: Transmission and Distribution Electrical
Engineering (Third edition). Oxford, 2007.
- http://lrf.fe.uni-lj.si/ct-menu-item-2/nizkonapetostne-elektroenergetskeinstalacije prosojnice na temo dimenzioniranje vodnikov.