PE Stabilnosc przesylu Archiwum

PE Stabilnosc przesylu Archiwum

  Aby w pełni ujrzeć szkodliwość harmonicznych w sieci energetycznej należy pokazać użyteczność generacji kompensatorami mocy biernej w sieci. Istotny poziom harmonicznych generowanych odbiornikami nieliniowymi może uniemożliwić załączanie samych kondensatorów do kompensacji mocy biernej z racji rezonansów harmonicznych. Z kolei filtry LC są dużo droższe niż same kondensatory a ich stosowanie jest kontrowersyjne.

Polski system elektroenergetyczny wykazuje nadzwyczaj duże straty mocy w przesyle i dystrybucji niespotykane w krajach wysokiej cywilizacji.

Idea odległego importu energii elektrycznej ( rozległość systemu ) linią 750 kV z elektrowni atomowej w Czarnobylu była słuszna ale po katastrofie z 1986 roku elektrownie jądrową skończymy budować dopiero sami.

Optymalne napięcia systemu przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej zależą od rozległości systemu oraz przestrzennego rozkładu generacji i odbiorców. Kraje Europejskie ( Zachód, Centrum i Wschód poza rozległą Rosją w składzie ZSRR ) nie są rozległe i używane w Polsce najwyższe napięcie przesyłu 400 kV jest wystarczające jako że długość linii przesyłowej nie przekracza 300 km. W razie przyszłej potrzeby można zastosować w nowych i istniejących liniach wieloprzewody co korzystnie obniża impedancje falową linii i podwyższa jej moc naturalną i zwiększa maksymalny prąd ograniczony temperaturą linii. Na ogromnych obszarach USA i ZSRR stosowane są wyższe napięcia i jest ich więcej zarówno w przesyle jak i w dystrybucji. Konstrukcja systemu dystrybucji w USA na samym dole systemu jest całkowicie odmienna niż stosowana w Europie.

W Polsce stosowane są napięcia przesyłu 400 KV i 220 KV. Natomiast w systemie dystrybucyjnym stosowane są napięcia 110KV, głównie Średnie Napięcie ( czyli SN ) 15KV i niskie napięcie ( czyli nn ) 380/220V a w przemyśle większe. Ciężkie linie 110KV w systemie przesyłu stosowane są wyjątkowo. Średnie napięcie SN 15kV wybrano niezbyt fortunnie jako że na zachodzie dominuje napięcie 20 KV i pozwala ono zmniejszyć straty mocy w obciążonych liniach. Użycie tego napięcia automatycznie łączy nas z nowoczesnym zachodnim rynkiem gdzie możemy sprzęt ( transformatory, wyłączniki, izolatory ) sprzedawać, kupować i naśladować rozwiązania. O ile transformatory na napięcia przesyłowe produkowane są jednostkowo na zamówienie to transformatory na napięcia SN / nn produkowane masowo w kilku typowych mocach są standardowym towarem. W miarę zużycia transformatorów można na przykład instalując nowe jednostki o niższych stratach i większych mocach ( wzrost zapotrzebowania odbiorców, bez wzrostu zapotrzebowania zwiększenia napięcia jest niecelowe ) stopniowo przejść na napięcie SN 20KV. Standaryzacja ma swoje zalety i wady i z jej zalet trzeba jak najszerzej czerpać. Długość sieci SN jest duża i może być tylko o 20-40% mniejsza od sieci nn.

Linie w systemie przesyłowym mają generalnie większą reaktancje szeregową niż rezystancje. X/R może być około 5 podczas gdy w liniach 110 KV wynosi około 2.

Wiedzę podstawową o matematyce linii długich można posiąść z podręczników elektrotechniki teoretycznej i tym zajmować się nie będziemy z braku miejsca na to. Stan napięć i prądów na długości linii opisuje równanie różniczkowe cząstkowe. Przy napięciach sinusoidalnych przy konkretnej częstotliwości (!) dwa równania z funkcjami hiperbolicznymi podają stan napięć i prądów w linii na jej długości w zależności od napiec i prądów na obu końcach linii. Gdy interesują nas tylko napięcia i prądy na obu końcach linii można użyć modelu Pi linii. Jest on absolutnie dokładny ale tylko dla konkretnej częstotliwości. W tym przypadku wyliczając zastępcze parametry RLC modeli Pi funkcji hiperbolicznych używamy tylko raz. Czas wielokrotnego wyliczania funkcji hiperbolicznych dla zmiennej zespolonej niepotrzebnie może nam koszmarnie spowolnić program komputerowy. Oczywiście parametry modeli Pi linii dla innej częstotliwości ( harmonicznej ) różnią się znacznie szczególnie przy długich liniach. Pod uwagę trzeba wziąć zjawisko naskórkowości w przewodach i skomplikowane zjawisko przewodności Ziemi dla prądów pojemnościowych pod linią.

Długość fali o częstotliwości 50 Hz wynosi w próżni 6000 km. Linia ćwierćfalowa która jest „inwerterem impedancji” ma przy 50 Hz długość circa 1500 km ale już dla 25 harmonicznej jest to tylko 60 km ! Nietrudno się domyśleć że napięcia harmonicznych na długości długiej linii bardzo się zmieniają na jej długości.

Na bardzo użytecznym wykresie ( widać na nim wszystko „jak na dłoni” nie ma podobnego w polskiej literaturze i dlatego go sporządzono ) pokazano napięcie na końcu bezstratnej ( dla rzeczywistej linii X/R > 5 różnice są małe) linii przesyłowej o długości 300 km, f=50 Hz, zasilanej napięciem 1 o mocy naturalnej 1 w funkcji obciążenia jej mocą czynną ( oś pozioma) przy współczynnikach mocy cos phi 0.95, 0.975, 1, 0.975 poj i 0.95 poj.

Bez obciążenia linia przesyłowa długości 300 km podnosi napięcie circa 1.05 raza. Tak więc mocno niedociążoną ( szczególnie mocą bierną ) w nocy linie przesyłową 400KV trzeba obciążyć dławikiem aby nie podnosiła napięcia, jeśli odbiory nie pobierają wystarczającej mocy biernej. Jednak ten kosztowny wysokonapięciowy dławik winien być zupełnym wyjątkiem. Wydaje się że podniesienie napięcia przez linie do 1.03 czyli o 3% jest jak najbardziej dopuszczalne a wystarczy już wtedy niewielkie obciążenie.

Przy obciążeniu czysto czynnym o mocy 1 czyli mocy naturalnej linii napięcie na końcu linii wynosi oczywiście 1. Z wykresu wynika że z linii ( tej długości 300 km ) przy obciążeniu czysto czynnym da się wycisnąć nie więcej niż circa <1.7 jej mocy naturalnej ale przy dużym spadku napięcia na niej. Im mniejszy jest współczynnik mocy ( pobieranej indukcyjnej ) tym z linii coraz mniej da się wycisnąć przesyłu mocy ( utratę stabilności przesyłu pokazano jako pionowe linie) i przy coraz większym spadku napięcia. Przy długiej linii o możliwości przesyłu zaczyna decydować moc naturalna linii a nie względy cieplne ! Przy obciążeniu o charakterze pojemnościowym z linii da się więcej wycisnąć ale podnosi ono napięcie nawet przy dużych obciążeniach i załamanie stabilności następuje przy coraz większym napięciu sieci co system sterowania i zabezpieczeń musi uwzględniać.

Wnioski:

1. Przepływ mocy biernej wywołuje straty w generatorze, transformatorach i liniach oraz destabilizuje napięcie w systemie. Przy braku w rozległym systemie kompensacji mocy biernej statycznej lub wirującej transformatory energetyczne muszą mieć szeroki zakres regulacji napięć pod obciążeniem tym większy im bardziej rozległa jest sieć. Każde przełączenie przekładni ma konkretny koszt a trwałość przełączników jest ograniczona. Linie przesyłowe swoją równoległą pojemnością generują moc bierną a szeregową indukcyjnością ją konsumują – równowaga następuje przy obciążeniu mocą naturalną. Linia za mocno obciążona mocą bierną ma obniżone napięcie i sama mniej generuje mocy biernej i zaczyna ją konsumować. Ma także znacznie większe straty mocy czynnej. Przy braku w systemie kompensacji generatory elektrowni muszą generować znacznie więcej mocy biernej co kosztuje i może dojść do ograniczenia generacji mocy czynnej kosztem mocy biernej dla uniknięcia załamania napięciowego co wynika z obszaru pracy bezpiecznej generatora synchronicznego. W mocno obciążonym systemie energetycznym wobec braku mocy czynnej P i biernej Q można wybierać między dżuma i cholerą – albo załamanie napięciowe spowodowane utratą możliwości utrzymania napięć i zbilansowania mocy biernej albo załamanie częstotliwości czyli brak mocy czynnej albo oba sprzężone jednocześnie.

2.W każdym wypadku przy przeciążeniu „stabilnościowym” załamanie napięcia linii przesyłowej następuje przy różnicy faz napięć na początku i końcu linii równym 90 deg.

3.Im dalszy jest przesył energii tym większe są problemy z mocą bierną i stabilnością napięcia w systemie. W mało rozległym systemie kompensacja mocy biernej nie jest konieczna.

4. Całkiem dobrą stabilność przesyłu długą linią otrzymany obciążając ją mocą bierną ( wyłączone na noc i weekendy wszystkie kompensatory mocy biernej i ewentualnie załączony dodatkowy dławik lub w różnych miejscach dławiki) przy małej pobieranej mocy czynnej a przy dużym obciążeniu załączając kompensatory mocy biernej. Wymagane operacje włączników są rzadkie i zachowają one dekadami swoją niezawodność.

5. Wytrzymałość cieplna wieloprzewodu linii przesyłowej rośnie proporcjonalnie z ilością przewodów natomiast moc naturalna linii rośnie znacznie wolniej. Wypływa z tego prosty wniosek że wieloprzewód nie jest lekiem w 100% uniwersalnym na każdy problem szczególnie na długich liniach.