KOMPENZÁCIA UČINNÍKA ELEKTRICKÝCH ZARIADENÍ

Transcript

1 KOMPENZÁCIA UČINNÍKA ELEKTRICKÝCH ZARIADENÍ Matej Bjalončík Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta, Katedra výkonových elektrotechnických systémov matejbjaloncik@gmail.com Abstrakt: Príspevok sa zaoberá problematikou kompenzácie jalového výkonu elektrických zariadení, distribučných a prenosových sústav. Opisuje spôsoby kompenzácie učinníka podľa radenia kompenzačného prostriedku a jeho umiestnenia, ako aj druhy kompenzačných prostriedkov. Kľúčové slová: kompenzácia, účinník, jalový výkon. 1. ÚVOD Spotrebiče iduktívného charakteru ako motory, transformátory, meniče, usmerňovače a pod., potrebujú pre svoju činnosť magnetizačný prúd. Tento výkon sa nepremení na užitočnú mechanickú prácu, ale cirkuluje medzi generátorom a spotrebičom. Nazýva sa preto jalový výkon. Pripojením vhodného dodatočného zdroja jalového výkonu sa zredukuje odber jalového výkonu z generátora na minimum, t. j. vykompenzuje sa. Kompenzáciou sa jalový výkon spotrebiča nemení. Ten odoberá pred aj po kompenzácii nezmenený činný a jalový výkon, ktorý je daný jeho pracovným stavom. Rozdiel je iba v tom, odkiaľ spotrebič jalový výkon odoberá. Q(kvar) S -Q k S P P(kW) Obr. 1. Fázorový diagram výkonov bez a s kompenzáciou Všetky prvky siete je potrebné dimenzovať na efektívnu hodnotu prúdu. Straty v sieti sú tiež úmerné efektívnemu prúdu, dokonca jeho druhej mocnine, takže odber jalového výkonu podstatne zaťažuje sieť. Okrem toho má na svedomí veľkú časť nepriaznivého kolísania napätia siete. U motora je spotreba jalového prúdu približne rovnaká, ak je motor zaťažený úplne, čiastočne alebo vôbec. To znamená, že zaťažený motor má podľa typu účinník v rozmedzí 0,7-0,9, pričom dodávateľ elektrickej energie vyžaduje účinník 0,95 a väčší. Motor bežiaci naprázdno však môže mať účinník oveľa menší.veľkosť účinníka s akým sa prenáša požadovaný činný výkon je dôležitým činiteľom pri dimenzovaní elektrických sietí. 1

2 Zariadenia musia byť dimenzované na zdanlivý výkon S, ktorý je 1/cosφ krát väčší ako činný výkon P, pretože platí vzťah P cos ϕ = (1) S Možnosti zlepšenia účinníka Účinník možno zlepšovať tromi základnými spôsobmi: kompenzáciou, čiže znížením prenosu jalovej energie cez elektrickú sieť a jej výrobu v mieste spotreby, úpravou prevádzky a konfigurácie elektrickej siete, efektívnym využívaním zariadení, ktoré pre svoju činnosť vyžadujú jalový výkon.. KOMPENZÁCIA ÚČINNÍKA V SÚSTAVÁCH Kompenzácia účinníka v rozvodných sústavách Cieľom tejto kompenzácie je u odberateľa: 1. Zmenšiť úbytky napätia a straty v rozvode pri rovnakom prenášanom činnom výkone a tým možnosť použitia menšieho prierezu vodičov.. Prenášať väčší činný výkon rovnako dimenzovaným vodičom. 3. Odoberať zo siete čo najmenší jalový výkon induktívneho charakteru, zodpovedajúci hodnote cosφ = 0,95 až 0,98. Kompenzácia účinníka v distribučných a prenosových sústavách Tento druh kompenzácie má prevádzkový charakter, čiže rozhoduje o prenose jalového výkonu a úrovni napätia. Základným kritériom kompenzácie je, aby úspory získané kompenzáciou boli rovnaké alebo väčšie ako náklady na kompenzáciu. Zmysel kompenzácie spočíva v odstránení, pokiaľ možno, všetkých nežiaducich dôsledkov prevádzkových a poruchových stavov, v ktorých sa z hľadiska napätia môže sústava nachádzať a možno povedať, že hlavným účelom kompenzácie nie je ani tak zníženie strát ako celkové zlepšenie kvality dodávanej elektriny. Zlepšovanie účinníka odberu v distribučnej sústave má pozitívny vplyv aj na zdroje pracujúce priamo do prenosovej sústavy. V prevádzke je potrebné dbať na to, aby boli transformátory zaťažované aspoň na 50 % svojho menovitého výkonu, pretože majú veľmi malý účinník v stave naprázdno (0,1 až 0,), ktorý sa so zaťažením zlepšuje, pretože magnetizačný prúd nezávisí od zaťaženia. Kompenzácia má najväčší efekt ak je realizovaná priamo u odberateľov elektrickej energie. V tomto prípade je dôležitá disciplína odberateľov, lebo pri chode kompenzačného zariadenia na plný výkon i v dobe minimálneho zaťaženia môže dôjsť k prekompenzovaniu siete a následnému zvýšeniu napätia nad povolenú hranicu.

3 3. SPÔSOBY KOMPENZÁCIE ÚČINNÍKA Spôsoby kompenzácie účinníka podľa radenia kompenzačného prostriedku a) Sériová kompenzácia, ktorá sa používa najmä na kompenzáciu vedení a oblúkových pecí. Keďže sú kondenzátory v sérii s vedením musia byť dimenzované na prevádzkový, v prípade skratu aj na skratový prúd. Pri vedeniach nn a vn je výhodné kondenzátory umiestniť na koniec vedenia u odberateľov, čím sa nám nemení reaktancia medzi zdrojom a kondenzátorom a pri skrate sa skratové pomery až po kondenzátor nezhoršia. b) Paralelná kompenzácia, pri ktorej dodávame do spotrebiča jalovú energiu z paralelne pripojeného kompenzačného prostriedku. Požadovaný kompenzačný výkon Q K je daný vzťahom Q K = P ( tgϕ tgϕ' ), () kde P je prenášaný činný výkon, φ je pôvodná veľkosť fázového posunu prúdu a napätia bez kompenzácie a φ' je veľkosť fázového posuvu prúdu a napätia s kompenzáciou. V trojfázovej sústave sú batérie kondenzátorov zapojené trojuholníka alebo do hviezdy. Pri zapojení do trojuholníka je kapacita kondenzátorov v jednej vetve daná QC C1 = 3 ω U, (3) kde je Q C celkový požadovaný trojfázový kompenzačný výkon a U je združené napätie. Pri zapojení do hviezdy (na fázové napätia) je kapacita kondenzátorov v jednej vetve daná C f 1 = Q C 3 ω U f (4) kde U f je fázové napätie. Na obr.. je uvedený princíp paralelnej kompenzácie. Kompenzátor K dodáva induktívny jalový výkon, alebo odoberá kapacitný jalový výkon. Pri úplnej kompenzácii bude Q Q k = 0. M P + j (Q-Q k ) a) b) Obr.. Princíp paralelnej kompenzácie a) bez kompenzácie, b) s kompenzáciou +j Q K K M 3

4 Spôsoby kompenzácie účinníka podľa umiestnenia kompenzačného prostriedku Z hľadiska umiestnenia kompenzačných prostriedkov delíme kompenzáciu na: 1) Individuálnu, pri ktorej je kompenzácia priamo na spotrebiči a spoločne s ním sa zapína. ) Skupinovú, jedným kompenzačným zariadením sa kompenzuje skupina spotrebičov. 3) Centrálnu, centrálne sa kompenzuje rozvodná sieť pre celý objekt, kompenzačné zariadenie je umiestnené v elektrickej stanici alebo v hlavnej transformovni. 4. DRUHY KOMPENZAČNÝCH PROSTRIEDKOV Ako zdroj jalového prúdu môžeme použiť: a) Statický kompenzátor 1) Kondenzátor, ktorý sa skladá z kondenzátorových batérii umožňuje skokovú zmenu dodávaného jalového výkonu. Hromadné nasadzovanie kondenzátorových batérii zhoršuje podmienky stability sústavy. ) Kompenzačná tlmivka, umožňuje skokovú zmenu dodávaného jalového výkonu. Odoberaním jalového výkonu priaznivo tlmia prípadné prechodové deje. Má menšie prevádzkové a investičné náklady v porovnaní s ostatnými kompenzačnými prostriedkami rovnakej napäťovej úrovne. 3) Statický riadený kompenzátor (Static Var Compenzator SVC), ktorý umožňuje plynulú zmenu jalového výkonu a potlačenie harmonických vhodne volenými a odstupňovanými filtrami. Obsahuje paralelne radené riaditeľné tlmivky a kondenzátorové batérie. b) Rotačný kompenzátor 1) Synchrónny kompenzátor ako nezaťažený synchrónny motor. Zmenu jalového výkonu dosiahneme zmenou budenia. Má priaznivý vplyv na dynamické správanie sústavy. Slúži tiež na zväčšenie stability prenosu. Má relatívne veľké straty činného výkonu ( až 6 % výkonu kompenzátora). ) Generátor elektrárne v normálnej prevádzke, kde spolu s dodávkou činného výkonu je do elektrizačnej sústavy dodávaný, alebo z nej odoberaný, jalový výkon. Treba dbať na to, aby neboli generátory týmto výkonom preťažené, prípadne aby nevypadli zo synchronizmu. 3) Generátor vodnej elektrárne v kompenzačnej prevádzke. Pokiaľ vodná elektráreň nedodáva činný výkon do záťaže, je možné ju využívať ako synchrónny kompenzátor. Tieto generátory umožňujú riešiť len lokálne problémy s jalovým výkonom, neslúžia ako prostriedok pre trvalú reguláciu. 4

5 5. ZÁVER Prevádzka generátora s nižšou účinnosťou danou dodávkou jalovej a činnej energie si vyžaduje na strane výrobcu elektrickej energie zvýšenie vstupných nákladov. Kompenzáciou účinníka sa znižujú náklady na stavbu rozvodných zariadení, ktoré musia byť dimenzované na prenos celkového výkonu. Na záver uvádzam porovnanie rôznych kompenzačných prostriedkov. Tab. 1. Porovnanie rôznych kompenzačných prostriedkov Tlmivka Kondenzátor Synchrónny kompenzátor SVC Rýchlosť regulácie V V M VV Vplyv na statickú stabilitu V V M VM Vplyv na dynamickú stabilitu M M V VV Vplyv na skratový výkon V Vplyv na zotavené napätie V VV Investičné náklady V V VV VV Prevádzkové náklady M M V M Hodnotenie vplyvu kompenzačných prostriedkov: VV veľmi veľký, V veľký, M malý, VM veľmi malý, bez vplyvu [1] Altus, J., Novák, M., Otčenášová, A.,Pokorný,M.: Elektromagnetická kompatibilita elektrizačných sústav, 04/004, ISBN []