Практикум из елемената електроенергетских система

Transcript

1 Практикум из елемената електроенергетских система Вежба: Промена преносног капацитета вода у ветровитим регионима 1. Теоријски увод Повећање броја становника као и повећан привредни раст сваке земље праћен је и повећањем потреба за електричном енергијом. Да би успешно одговорила на тренд повећања потрошње, свака земља мора имати јасно дефинисану стратегију развоја свог електроенергетског система чији је задатак да у сваком тренутку поуздано врши снабдевање крајњих потрошача неопходном електричном енергијом. Поред повећања потрошње, у свету је присутан и пораст производње из обновљивих извора енергије. Разлози за то су углавном еколошке природе, као и смањење енергетске зависности од фосилних горива чије резерве су ограничене. Електроенергетски систем (ЕЕС) може се поделити на четири велике целине: производња, пренос, дистрибуција и потрошња електричне енергије. У конвенционалном ЕЕС-у ток енергије је јасно дефинисан енергија се најчешће производи у великим централизованим јединицама након чега се помоћу преносне и дистрбутивне мреже преноси до крајњих потрошача. Како се дијаграми потрошње слабо мењају у кратким временским интервалима, конвенционалним системом није тешко управљати. Са појавом интермитентних обновљивих извора енергије ситуација се драстично мења. Производња из обновљивих извора зависи од тренутних расположивих ресурса и значајно се може мењати у току дана. Са друге стране, обновљиви извори енергије су углавном јако дисперзовани у систему, те се њиховом појавом услед велике производње могу променити и смерови токова снага у преносној и дистрибутивној мрежи. Са друге стране, интеграција обновљивих извора енергије у ЕЕС довела је и до развоја паметних мрежа и принципа управљања потрошњом. Управљање потрошњом има другачију логику управљања системом у односу на конвенционални ЕЕС док се у конвенционалном ЕЕС-у снага производње прилагођава захтевима потрошњом, помоћу управљања потрошњом могуће је снагу потрошње прилагодити производњи, пре свега обновљивим изворима енергије чија максимална производња зависи од тренутних расположивих ресурса. Преносна и дистрибутивна мрежа имају задатак да врше пренос енергије до крајњих потрошача. Повећање потрошње, али и производње из обновљивих извора, доводи до све већег динамичког оптерећивања водова. Сваки вод, било то надземни или кабловски, има ограничен преносни капацитет који је најчешће диктиран максималном дозвољеном температуром. Повећање температуре вода настаје услед Џулових губитака. Енергија губитака се једним делом троши на повећање температуре вода, а са друге стране део те енергије се одводи хлађењем вода. Одавде се може написати основна једначина термичке равнотеже посматраног вода: У овој једначини, dq g dq dq (1) a h dqgпредставља снагу Џулових губитака на далеководу, енергију која се троши на загревање вода и dq h енергију која се одводи услед хлађења вода. Једначина (1) може се написати и у следећем облику: dq a

2 R( ) i dt mcd k S dt () У овој једначини, R предстаља подужну отпорност вода при некој температури, i тренутну вредност струје која протиче кроз проводник, m подужну масу проводника, c специфичну топлотну капацитивност вода, Θ пораст температуре у односу на амбијенталну, k коефицијент одвођења топлоте са површине проводника и S подужну површину проводника. Обзиром да кроз вод пролази струја фреквенције 50 z, може се претпоставити да су промене струје занемарљиве у односу на временску константу грејања проводника, па уместо тренутне вредности струје може се посматрати њена ефективна вредност. Ако се претпостави да се и отпорност не мења са променом температуре, ова диференцијална једначина може се приказати у следећем облику: mc d RI k S dt k S d T dt (3) (4) Решење ове диференцијале једначине приказано је у једначини (5): t е T ( 1 ) (5) У једначини (5), T је mc представља временску константу загревања проводника, док k S RI гранична температура коју проводник достиже у устаљеном стању. На k S Сл. 1 приказан је график загревања проводника у функцији од протеклог времена. Сл. 1. Загрегање проводника при протицању струје I 1

3 Са Сл. 1 се види да се температура проводника може приказати експоненцијалном функцијом, при чему у устаљеном стању достиже температуру RI. Када би се k S струја кроз проводник повећала на неку вредност I која је већа од I 1, добила би се нова устаљена вредност температуре. Промена температуре проводника тада се може описати једначином (6): 0 ( 0) (1 е t T ) (6) У овој једначини, почетна температура одговара устаљеном стању приликом протицања струје I 1 и њена вредност износи 0 RI 1. У другом случају, када кроз k S проводник протиче струја I, температура у устаљеном стању износи RI. На k S Сл. приказани су графици загревања проводника када кроз њега протиче струја прво струја I 1 па I и када кроз њега одмах протиче струја I. Са слике се може видети да проводник у оба случаја достиже исту граничну температуру, тј. да гранична температура не зависи од начина сагревања проводника већ само од струје која протиче кроз њега. То се може видети и из формуле за израчунавање граничне температуре. Сл.. Загрегање проводника при протицању струјa I 1 и I

4 У случају када се проводник налази у ветровитом подручју, приликом дувања ветра доћи ће до побољшаних услова хлађења проводника. У том случају, коефицијент одвођења топлоте са површине проводника k ће се повећати, што значи да ће се смањити гранична температура проводника, али и временска константа загревања што значи да ће се проводник брже загрејати. На Сл. 3 приказан је пример дијаграма загревања проводника када у његовој околини нема ветра, и када дува ветар, при чему струја проводника остаје константна. Сл. 3. Загрегање проводника када дува ветар и када не дува ветар Са Сл. 3 се види да се гранична температура проводника смањује када ветар дува. Како се преносна моћ проводника дефинише његовом максимално дозвољеном температуром, може се закључити да када постоји хлађење помоћу ветра да се проводник додатно може оптеретити. Напомена: У претходним релацијама је претпостављено да се отпорност проводника не мења са променом температуре.

5 . Циљ мерења, коришћена апаратура и шема веза Циљ мерења у овој вежби је снимање утицаја дувања ветра на хлађење проводника, као и на промену његове струјне оптеретљивости. Шема веза приказана је на Сл. 4. У вежби се користе следећи елементи: Сл. 4. Шема веза Аутотрансформатор Алуминијумски проводник попречног пресека 70mm Потенциометар Уређај за мерење температуре Три вентилатора 3. Задатак Измерити амбијенталну темепературу. Помоћу отпорника подесити дефинисану вредност трајно дозвољене струје кроз проводник и снимити криву загревања проводника (резултате мерења уписати у табелу и прираштај температуре скицирати на милиметарском папиру који је приложен уз упутство). Амбијентална температура ( Трајно дозвољена струја ( ): ): Темепература у устаљеном стању ( ): Након 0 минута од почетка мерења, укључити све вентилаторе којима се симулира дување ветра. Снимити криву хлађења проводника (скицирати на истом графику и надовезати криву хлађења на претходно нацртану линију загревања). Нова гранична температура проводника ( ):

6 Потребно је извести израз за прорачун нове трајно дозвољене струје која ће загрејати проводник на исту температуру уз дување вентилатора као и првобитна струја без дувања вентилатора. Прорачуната нова трајно дозвољена струја ( : Процентуално повећање преносног капацитет вода са ветром: Резултати мерења темепературе проводника без ветра: ( ) Резултати мерења темепературе проводника са ветром, при истој струји као у првом случају: ( ) Резултати мерења темепературе проводника са ветром при новој израчунатој трајно дозвољеној струји: ( )

7 5. Домаћи задатак - урадити за испит Процена преносног капацитета далековода веома је значајна са аспекта управљања и експлоатације једног електроенергетског система. Са повећањем преносног капацитета далековода, повећава се и снага која се њиме може пренети. Ово је нарочито важно у сатима када је велика потрошња у систему. У Србији су јаки ветрови корелисани са потрошњом на сезонском нивоу (то значи да се сезонски посматрано јаки ветрови јављају у периоду године када је и велика потрошња у систему). Ова карактеристика је позитивна због тога што се са повећаном потрошњом повећавају и преносни капацитети далековода. У оквиру домаћег задатка, анализира се један 400 kv далековод. Далековод се целом трасом налази у ветровитом региону којег карактерише слична климатологија у погледу ветра. На Сл. 4 приказана је претпостављена траса далековода на топографској мапи терена која је израђена са висинским растером од 5m. На Сл. је приказана претпостављена траса далековода на мапи храпавости терена која је израђена према методологији из европског атласа ветрова, коришћењем софтвера WasP. Сл. 4. Претпостављена траса интерконективног 400 kv далековода на топографској мапи терена Сл. 5. Претпостављена траса интерконективног 400 kv далековода на мапи храпавости терена Предложени 400 kv далековод требало би да повезује разводно постројење у Панчеву (Србија) и разводно постројење у Решицама (Румунија). Планирано је да овај далековод буде изграђен до краја 016. године и представљаће врло битну интерконективну везу за трансфер енергије из источноевропских земаља према западној Европи. Такође, треба имати у виду да овај далековод повезује ветровите регионе и да ће токови снага бити значајно условљени производњом електричне енергије из око 3000 МW инсталисаних ветроелектрана у Румунији, као и планираних ветроелектрана у региону Баната. С обзиром на то да није била доступна планирана траса далековода, у овом раду траса далековода је усвојена произвољно. Дужина далековода за претпостављену трасу је 101 km. Циљ ове анализе је да се одреде максимална струјна оптерећења далековода, а самим тим и максимална снага која се може пренети далековод у устаљеном стању. У овој анализи користи се следећа једначина топлотне равнотеже: P P P P (7) j s c r

8 где су: P J подужна снага Џулових губитака, P S подужна снага апсорбције сунчевог зрачења, P c подужна снага хлађења конвенкцијом, P r подужна снага хлађења радијацијом. Снага Џулових губитака одређена је релацијама (7), (8) и (9). За пренос енергије користи се Al/Če уже димензија x 490/65. Једно Al/Če уже садржи 54 проводника пречника 3,54mm. Фреквенција оба ЕЕСа износи 50 z, а специфична отпорност алуминијума износи 8, nω m. Подужна снага апсорпције сунчевог зрачења се прорачунава на основу соларне ирадијације на површини проводника: P D (8) sol S i У овој једначини, γ представља коефицијент апсорпције проводника за који се усваја вредност од 0,9. D представља спољашњи пречник ужета чија је вредност за Al/Če уже 30,6mm. S i представља соларну ирадијацију. Подужна снага хлађења радијацијом се рачуна према следећем изразу: P rad B 4 c 4 amb D T T (9) У овој једначини, σ В представља Штефан-Болцманову константу чија вредност износи W m- K-4. Остало је још дефинисати снагу хлађења проводника конвенцијом. Конвенција представља најзначајнији начин хлађења материјала. Овај тип хлађења може се описати тако да флуид односи топлоту са елемента који се хлади. Конвенција доста зависи од брзине флуида хлађења. У овом случају, флуид је ваздух. Снага хлађења конвенцијом може се приказати једначином (1): P Nu T T (10) conv где је - топлотна проводност ваздуха у контакту са проводником, чија се вредност узима под претпоставком да је константа и износи W m -1 K -1. Са друге стране, Nu представља Нуселтов број који је дефинисан изразом (1): c amb где је Re Рејнолдсов број који је дат једначином: Re 1, , 0,61 Nu 0,65 Re 0,3 Re (11) 9 1, 78 T 0,5 T T v D (1) amb c amb

9 где је v је брзина ветра. У овим једначинама, подразумева се да су температуре дате у о С осим у једначини (9) где је температура дата у Келвинима. Усвојити да је максимална дозвољена температура проводника 60 о С. На основу датих података, као и података о соларној ирадијацији, брзини ветра и амбијенталној температури, одредити график зависности преносног капацитета далековода од времена. На истом графику, приказати и колика би била та вредност када би се занемарило загревање проводника од стране соларног зрачења, и када би се претпоставила константна брзина ветра у износу од 1 m/s. Потребни подаци биће накнадно достављени. Напомена: Проблем се најлакше решава ако се одмах усвоји да је температура проводника једнака максималној дозвољеној температури. Одатле се директно може одредити снаге хлађења проводника, снага загревања услед зрачења, а на основу тога и снага загревања услед Џулових губитака. Из податка о температури одређује се нова отпорност проводника, одакле се директно добија максимална вредност струје кроз једно уже. Водити рачуна да се у фази налазе два проводника и да кроз сваки протиче струја једнака израчунатој. Преносни капацитет изразити у снагама. Претпоставити да је фактор снаге једнак јединици.

10