Διπλωματική εργασία με θέμα

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Διπλωματική εργασία με θέμα Κατασκευή εργαστηριακού μοντέλου δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ΒΑΓΓΕΛΟΓΛΟΥ ΑΘΑΝΑΣΙΟΣ 6014 ΚΥΡΓΙΑΣ ΧΡΗΣΤΟΣ 6018 Επιβλέπων Ανδρέου Γεώργιος Λέκτορας Θεσσαλονίκη 2012

2 Ευχαριστούμε θερμά τον επιβλέποντα της διπλωματικής εργασίας λέκτορα κ. Ανδρέου Γεώργιο, για την πολύτιμη βοήθεια του στην επιλογή και διαμόρφωση του θέματος, για το χρόνο που διέθεσε, καθώς και για τις συμβουλές του όλο αυτό το διάστημα. 2

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Πρόλογος Δίκτυα διανομής μέσης τάσης Παρουσίαση του δικτύου διανομής ΜΤ Μορφή του δικτύου διανομής ΜΤ Ακτινικό δίκτυο διανομής Βροχοειδές δίκτυο διανομής Αραχνοειδές δίκτυο διανομής Ατρακτοειδές δίκτυο διανομής Δίκτυο μικρών βρόχων Βασικός Εξοπλισμός δικτύων διανομής Υποσταθμοί ΥΤ/ΜΤ Εναέριες γραμμές Υπόγεια καλώδια Υποσταθμοί ΜΤ/ΧΤ Απώλειες δικτύου ΜΤ Οφέλη μείωσης απωλειών Τρόποι μείωσης απωλειών Αντιστάθμιση Διόρθωση του συντελεστή ισχύος Μέσα αντιστάθμισης Ρύθμιση τάσης Μέσα ρύθμισης τάσης Διανεμημένη παραγωγή

4 2. Σχεδίαση μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκού συστήματος στο δίκτυο ΧΤ Κύκλωμα του αντιστροφέα Σχεδιασμός PLL Μέθοδος ελέγχου των διακοπτών του αντιστροφέα Μοντελοποίηση τυπικού δικτύου διανομής Εξεταζόμενο δίκτυο Χαρακτηριστικά του μοντέλου Μεταβολή της ισχύος των φορτίων Υπολογισμός των χαρακτηριστικών στοιχείων των φορτίων Επιλογή των φορτίων προς αντιστάθμιση Επιλογή του είδους της γραμμής Επιλογή του μήκους της κάθε γραμμής Κατασκευή εργαστηριακού μοντέλου δικτύου διανομής Κατασκευή μοντέλου γραμμών διανομής Αντιστάσεις Πηνία Κιβώτια γραμμών Κατασκευή ωμικών φορτίων Κατασκευή διατάξεων για τη σύγκριση θεωρητικών με πειραματικών αποτελεσμάτων Σενάρια που υλοποιήθηκαν Τροφοδότηση υποσταθμών μέσω διαφορετικών γραμμών Ανασχηματισμός δικτύου Αντιστάθμιση και ρύθμιση τάσης

5 5.2 Αναγωγή των αποτελεσμάτων στο δίκτυο ΜΤ Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

6 Πρόλογος Το παρόν σύγγραμμα με τίτλο «Κατασκευή εργαστηριακού μοντέλου δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας» αποτελεί τη διπλωματική εργασία των φοιτητών του τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Αριστοτελείου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης Βαγγέλογλου Αθανασίου και Κύργια Χρήστου υπό την επίβλεψη του λέκτορα του Α.Π.Θ. κ. Ανδρέου Γεωργίου. Το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αποτελεί τη συνέχεια του συστήματος μεταφοράς προς την κατεύθυνση της κατανάλωσης. Αποτελείται από ένα σύνολο καλωδίων και εναέριων γραμμών, καθώς και υποσταθμών υποβιβασμού τάσης. Η κατασκευή ενός μοντέλου δικτύου διανομής που απαρτίζεται από τα προαναφερθέντα στοιχεία είναι το αντικείμενο που πραγματεύεται η παρούσα διπλωματική. Η εργασία χωρίζεται σε έξι κεφάλαια. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται το δίκτυο διανομής μέσης τάσης με ιδιαίτερη αναφορά στις μορφές και τον εξοπλισμό του δικτύου. Στο δεύτερο κεφάλαιο γίνεται η σχεδίαση μέσω λογισμικού ενός αντιστροφέα χαμηλής ισχύος για τη σύνδεση ενός Φ/Β συστήματος στο δίκτυο χαμηλής τάσης. Στο τρίτο κεφάλαιο επιλέγεται μια τυπική μορφή ενός δικτύου διανομής μέσης τάσης και γίνεται η αναγωγή των απαραίτητων στοιχείων για την κατασκευή του εργαστηριακού μοντέλου. Στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα κατασκευαστικά μέρη του μοντέλου και η διαδικασία που ακολουθήθηκε για την κατασκευή του. Στο πέμπτο κεφάλαιο επιλέγονται ορισμένα σενάρια για την διεξαγωγή μετρήσεων. Τέλος ακολουθεί το κεφάλαιο με τα συμπεράσματα και ιδέες για μελλοντικές διπλωματικές με στόχο τη βελτίωση αυτής της κατασκευής. 6

7 1. Δίκτυα διανομής μέσης τάσης Με τον όρο Σύστημα Ηλεκτρικής Ενέργειας (ΣΗΕ) χαρακτηρίζεται ένα σύνολο εξοπλισμού, που αποτελείται από σταθμούς παραγωγής, υποσταθμούς ανύψωσης και υποβιβασμού τάσης, εναέριες και υπόγειες γραμμές μεταφοράς και διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Σκοπός του συστήματος είναι η τροφοδότηση ηλεκτρικών καταναλωτών με την απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια αξιόπιστα, με υψηλά ποιοτικά χαρακτηριστικά και με χαμηλό κόστος. Το σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει το δίκτυο μέσης και χαμηλής τάσης (ΜΤ και ΧΤ). Συγκεκριµένα το δίκτυο μέσης τάσης ξεκινάει από τους ζυγούς ΜΤ των µετασχηµατιστών (Μ/Σ) στους υποσταθµούς ΥΤ και οδηγείται µέσω υπόγειων και εναέριων αγωγών στους κατά τόπους υποσταθμούς ΜΤ. Στο δίκτυο διανοµής συνδέονται οι καταναλωτές ΜΤ (20 kv) και ΧΤ (400/230 V). Σκοπός της παρούσας διπλωματικής είναι η κατασκευή ενός εργαστηριακού μοντέλου δικτύου διανομής Μέσης Τάσης (ΜΤ), συμβατού με τον ήδη υπάρχοντα εξοπλισμό του εργαστηρίου συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας της Πολυτεχνικής σχολής του Α.Π.Θ. Μελετήθηκαν ορισμένες διατάξεις ενός δικτύου διανομής ΜΤ και έγινε σύγκριση πραγματικών αποτελεσμάτων με θεωρητικών που προέκυψαν με χρήση του λογισμικού PSIM της εταιρείας Powersim Inc. 1.1 Παρουσίαση του δικτύου διανομής ΜΤ Σήμερα στην Ελλάδα η πλειοψηφία των δικτύων διανομής ΜΤ λειτουργεί στα 20 kv ενώ τα υπόλοιπα που λειτουργούν ακόμα στα 15 kv έχουν εγκατεστημένα υλικά (π.χ. μετασχηματιστές, μονωτήρες κ.λ.π.) τα οποία είναι σχεδιασμένα για τάση λειτουργίας 20 kv, με σκοπό τη σταδιακή μεταφορά των δικτύων αυτών στην τάση των 20 kv. Το μεγαλύτερο μέρος του δικτύου διανομής στην Ελλάδα έχει κατασκευαστεί με βροχοειδή μορφή παρ όλα αυτά η λειτουργία του δικτύου είναι ακτινική. Αυτό σημαίνει ότι η ροή της ενέργειας από την πηγή σε ένα οποιοδήποτε φορτίο, γίνεται από ένα μοναδικό δρόμο. Η βροχοειδής κατασκευή βοηθάει, σε 7

8 περίπτωση σφαλμάτων στον κορμό του δικτύου, καθώς θα συνεχιστεί η τροφοδότηση των φορτίων που βρίσκονται μετά το σφάλμα από διαφορετικό δρόμο. Η τυποποίηση της τάσης των 20 kv για τα δίκτυα διανομής ΜΤ της χώρας οδήγησε στην υιοθέτηση βασικού επιπέδου μόνωσης (BIL-στάθμη κρουστικής αντοχής) 125 kv και στάθμη βραχυκύκλωσης 250 MVA (επίπεδο τριφασικού βραχυκυκλώματος 7,2 kα στα 20 kv και 10 ka στα 15 kv). Όλα τα δίκτυα είναι τριφασικά, τριών αγωγών, με γειωμένο τον ουδέτερο κόμβο του δευτερεύοντος των Μ/Σ των υποσταθμών ΥΤ μέσω αντιστάσεως συνήθως 12 Ω, για τον περιορισμό του ρεύματος σε σφάλματα γης στα 1000 Α. 1.2 Μορφή του δικτύου διανομής ΜΤ Γενικά, τα συστήματα διανομής μέσης τάσης διακρίνονται σε πέντε βασικές κατηγορίες με άξονα διαχωρισμού τη δομή τους ή τον τρόπο εκμετάλλευσής τους. Αυτές είναι: Ακτινικό Βροχοειδές Αραχνοειδές Ατρακτοειδές Μικρών βρόχων 1.2.1Ακτινικό δίκτυο διανομής Το σύστημα αυτό (Σχ. 1.1) εφαρμόζεται συνήθως σε εναέρια δίκτυα που τροφοδοτούν περιοχές και φορτία που δεν απαιτούν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας. Το σύστημα αποτελείται από μία κεντρική γραμμή, τον κορμό, με τις διακλαδώσεις του. Ο κορμός ελέγχεται από ένα διακόπτη ισχύος που εκτελεί αυτόματες επαναφορές. Οι διακλαδώσεις ελέγχονται από ασφαλειοαποζεύκτες και από διακόπτες απομόνωσης. Σε ορισμένες περιπτώσεις τοποθετούνται στον κορμό διακόπτες αυτόματης επαναφοράς, προκειμένου να εξυπηρετηθούν λειτουργικές ανάγκες του δικτύου ή να ελεγχθούν τα σφάλματα σε περιπτώσεις δικτύων με μεγάλα μήκη. 8

9 Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης απομόνωσης Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοαποζεύκτης Σχήμα 1.1: Μορφή ακτινικού δικτύου. 9

10 1.2.2 Βροχοειδές δίκτυο διανομής Εναέρια δίκτυα Το σύστημα αυτό (Σχ. 1.2) είναι όμοιο με το ακτινικό με τη διαφορά ότι τροφοδοτείται από δύο σημεία του ίδιου ή διαφορετικού υποσταθμού (Υ/Σ). Η κεντρική γραμμή διαχωρίζεται από διακόπτη φορτίου ή τριπολικό αποζεύκτη. Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης απομόνωσης Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοαποζεύκτης Σχήμα 1.2: Μορφή βροχοειδούς εναέριου δικτύου. 10

11 Υπόγεια δίκτυα Σε αυτό το σύστημα (Σχ. 1.3), ο βρόχος τροφοδοτείται από δύο διακόπτες που ανήκουν στον ίδιο ή σε διαφορετικούς Υ/Σ. Σε κάθε Υ/Σ διανομής υπάρχουν δύο διακόπτες φορτίου για τις αφίξεις των καλωδίων. Ο βρόχος παραμένει λειτουργικά ανοικτός σε ένα διακόπτη φορτίου των Υ/Σ διανομής. Για να αξιοποιηθεί ο βρόχος, κάθε αναχώρηση, πρέπει στην κανονική λειτουργία να φορτίζεται μέχρι το 50% της ικανότητάς της. Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοδιακόπτης Σχήμα 1.3: Μορφή βροχοειδούς υπόγειου δικτύου. 11

12 1.2.3 Αραχνοειδές δίκτυο διανομής Εναέρια δίκτυα Το σύστημα αυτό (Σχ. 1.4) είναι στην ουσία βροχοειδές με τη διαφορά ότι οι συνεργαζόμενες γραμμές είναι τρεις και υπάρχουν πλευρικές συνδέσεις. Σε περίπτωση βλάβης μιας εκ των γραμμών, οι άλλες δύο αναλαμβάνουν την κάλυψη των φορτίων. Έτσι, κάθε αναχώρηση επιτρέπεται να φορτίζεται στην κανονική λειτουργία μέχρι το 66% της ικανότητάς της. Σε κατάλληλες θέσεις του δικτύου προβλέπονται ειδικοί διακόπτες φορτίου για τη μεταφορά φορτίων. Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης απομόνωσης Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοαποζεύκτης Σχήμα 1.4: Μορφή αραχνοειδούς εναέριου δικτύου. 12

13 Υπόγεια δίκτυα Η βασική δομή του δικτύου (Σχ. 1.5) είναι ίδια με αυτή των εναέριων δικτύων με τις παρακάτω διαφορές: 1. Δεν πρέπει να γίνονται ακτινικές διακλαδώσεις για τροφοδοσία Υ/Σ. Όλοι οι Υ/Σ εντάσσονται στο βρόχο. 2. Οι χειρισμοί για τη μεταφορά των φορτίων γίνονται με τη βοήθεια των διακοπτών φορτίου των Υ/Σ. Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοδιακόπτης Σχήμα 1.5: Μορφή αραχνοειδούς υπόγειου δικτύου. 13

14 εφεδρική γραμμή Ατρακτοειδές δίκτυο διανομής Το σύστημα (Σχ. 1.6) αποτελείται από ομάδα γραμμών που αναχωρούν από τον Υ/Σ 150/20 kv και καταλήγουν σε ένα Υ/Σ ζεύξης. Μια από την ομάδα των γραμμών είναι εφεδρική και πρέπει να είναι απαλλαγμένη από φορτία για να μπορεί να παραλάβει όλα τα φορτία μίας εκ των άλλων γραμμών. Ο αριθμός των συνεργαζόμενων γραμμών συμπεριλαμβανομένης και της εφεδρικής δεν πρέπει να υπερβαίνει τις έξι (6) αλλιώς μειώνεται ο βαθμός αξιοπιστίας του συστήματος. Ο βαθμός χρησιμοποίησης των γραμμών είναι πολύ υψηλός και κυμαίνεται γύρω στο 80-85% της ικανότητάς τους. Το σύστημα εφαρμόζεται ως επί το πλείστον σε υπόγεια δίκτυα πόλεων. Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Ζυγοί Μέσης Τάσης Yποσταθμός ζεύξης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοδιακόπτης Σχήμα 1.6: Μορφή ατρακτοειδούς δικτύου. 14

15 1.2.5 Δίκτυο μικρών βρόχων Στο σύστημα αυτό (Σχ. 1.7) κάθε κύρια γραμμή διαχωρίζεται σε δύο δευτερεύουσες, που σχηματίζουν βρόχο μεταξύ τους ή με δευτερεύουσες άλλης αναχώρησης. Οι βρόχοι μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους με πλευρικές συνδέσεις. Το σύστημα παρέχει πολλές δυνατότητες επανατροφοδότησης τμημάτων με βλάβη ή σφάλμα. Οι γραμμές των βρόχων πρέπει να έχουν ικανότητα φόρτισης μέχρι το 50% των κυρίων γραμμών, πράγμα που επιτρέπει την ένταξη στο σύστημα παλαιών υφιστάμενων καλωδίων μικρότερης διατομής. Ζυγοί Μέσης Τάσης Μετασχηματιστής Διακόπτης ισχύος Διακόπτης φορτίου Ασφαλειοδιακόπτης Aποζεύκτης Σχήμα 1.7: Μορφή δικτύου μικρών βρόχων Μ.Τ. 15

16 Γενικά το βροχοειδές κρίνεται προσφορότερο αφού συνδυάζει απλότητα και ικανοποιητική αξιοπιστία και θα πρέπει να επιλέγεται σε όλες σχεδόν τις περιπτώσεις. Το αραχνοειδές δεν ενδείκνυται σαν οριστική λύση σε αρχικές μελέτες γιατί καθιστά δύσκολη την εκμετάλλευση. Το ατρακτοειδές επιλέγεται όταν δίνει αισθητά χαμηλότερο αρχικό κόστος με την προοπτική να μετατραπεί στο μέλλον σε βροχοειδές. Το σύστημα μικρών βρόχων είναι μια λύση ανάγκης και εφαρμόζεται για την αξιοποίηση καλωδίων μικρότερων διατομών. 1.3 Βασικός εξοπλισμός δικτύων διανομής Ένα σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι μια πολυσύνθετη κατασκευή αποτελούμενη από χιλιάδες στοιχεία που λειτουργούν όλα μαζί με κοινό στόχο την αξιόπιστη μεταφορά ενέργειας στους καταναλωτές Ουσιαστικά υπάρχουν δύο κύριοι τύποι εξοπλισμού που αποτελούν ένα σύστημα διανομής: Οι γραμμές διανομής που διανέμουν την ενέργεια από το ένα μέρος στο άλλο, και Οι μετασχηματιστές που αλλάζουν το επίπεδο της τάσης της μεταφερόμενης ενέργειας. Στις παραπάνω κύριες κατηγορίες μπορούν να προστεθούν επίσης: Ο εξοπλισμός προστασίας που προσφέρει ασφάλεια και συνέχιση της λειτουργίας ακόμα και σε περίπτωση βλάβης. Ο εξοπλισμός ρύθμισης τάσης που χρησιμοποιείται για να διατηρεί την τάση μέσα σε επιτρεπτά όρια καθώς το φορτίο αλλάζει. 16

17 1.3.1 Υποσταθμοί ΥΤ/ΜΤ Οι υποσταθμοί ΥΤ/ΜΤ υποβιβάζουν την ΥΤ ( 150 kv και σε ελάχιστες περιπτώσεις 66 kv) σε ΜΤ (15 ή 20 kv) ενώ παράλληλα ανάλογα με τη γεωγραφική θέση και σημασία τους μπορούν να αποτελούν λιγότερο ή περισσότερο σημαντικούς κόμβους του συστήματος ΥΤ. Τα τυποποιημένα μεγέθη μετασχηματιστών που εγκαθίστανται στους υποσταθμούς ΥΤ/ΜΤ είναι τα εξής: 10/12.5 MVA 20/25 MVA 40/50 MVA Οι δυο τιμές ονομαστικής ισχύος για κάθε μέγεθος μετασχηματιστή σχετίζονται με τον τρόπο ψύξης και αντιστοιχούν η μεν πρώτη σε ψύξη με φυσική κυκλοφορία αέρα, η δε δεύτερη σε ψύξη με βεβιασμένη κυκλοφορία αέρα μέσω ανεμιστήρων. Το μέγεθος 10/12,5 MVA δεν παραγγέλνεται πλέον αλλά χρησιμοποιείται μόνο μετά από αποξήλωση. Επιπρόσθετα οι μελλοντικές προμήθειες μετασχηματιστών ΥΤ./ΜΤ είναι δυνατό να περιοριστούν στην ισχύ των 40/50 MVA. Για τη μελέτη της βέλτιστης σύνθεσης και εξέλιξης υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ θεωρείται ότι οι παραπάνω μετασχηματιστές μπορούν να αναλάβουν φορτίο 10, 20 και 40 MW αντίστοιχα δηλαδή ότι φορτίζονται υπό συντελεστή ισχύος 0,8. Η παραδοχή αυτή καλύπτει τις απώλειες μετασχηματισμού και επιπλέον παρέχει και μικρά περιθώρια ανάληψης πρόσθετου φορτίου Εναέριες γραμμές Οι εναέριες γραμμές διανομής σε σύγκριση με τα υπόγεια καλώδια είναι ο απλούστερος και φθηνότερος τρόπος μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας εφόσον υπάρχει δυνατότητα στήριξης των αγωγών. Ακόμα, παρουσιάζουν το πλεονέκτημα της γρήγορης και φθηνής επισκευής, πράγμα σημαντικό για τη λειτουργία ενός δικτύου. Επιπρόσθετα οι εναέριες γραμμές μέσης τάσης, αποτελούν την άμεση λύση στη συνεχώς αυξανόμενη ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια, ειδικότερα σ ένα δίκτυο 17

18 όπως το ελληνικό που απαιτεί γρήγορη επέκταση λόγω της ραγδαίας εξάπλωσης των αστικών συγκροτημάτων του. Οι αγωγοί πρέπει να αντέχουν στη μηχανική και στη θερμική καταπόνηση και στην περίπτωση της μέσης τάσης να μην προκαλούν απώλειες κορώνα (Coronaηλεκτρική διάσπαση του αέρα περί τον αγωγό). Η πεδιακή ένταση πέραν της οποίας αρχίζει η εκκένωση κορώνα, εξαρτάται από την διάμετρο του αγωγού και είναι 21 έως 27 kv/cm σε ενεργό τιμή. Σαν αγωγούς χρησιμοποιούμε πολύκλωνα συρματόσχοινα, για λόγους ευκαμψίας. Οι αγωγοί που χρησιμοποιούνται είναι χωρίς μόνωση και κατασκευάζονται από χαλκό (Cu), αλουμίνιο (Al) ή αλουμίνιο-χάλυβα (ACSR). Σε ειδικές περιπτώσεις χρησιμοποιούνται αγωγοί από άλλα υλικά και κράματα (π.χ. από γαλβανισμένο χάλυβα, φωσφορούχο ορείχαλκο κλπ.). Στη χαμηλή τάση εκσυγχρονίζονται πλέον τα δίκτυα μέσω συνεστραμμένων καλωδίων. Τα κύρια υλικά είναι τα παρακάτω: Χαλκός εφελκυσμένος εν ψυχρώ. Αλουμίνιο, το οποίο είναι ή καθαρό αλουμίνιο 99,9% και λέγεται αλουμίνιο ηλεκτροτεχνίας E-Al, ή το κράμα αλουμινίου Aldrey με περίπου εκατοστιαία σύνθεση: 0,3-0,5 Mg, 0,4-0,7 Si, 0,3 Fe και το υπόλοιπο αλουμίνιο. Σύνθετοι αγωγοί αλουμινίου-χάλυβα Al/St. Έχουν και την ονομασία Aluminium Coated Steel Reinforced Conductors ή ACSR αγωγοί ( Σχ. 1.8). Στα εναέρια δίκτυα δεν χρησιμοποιούνται μονόκλωνοι αγωγοί, γιατί έχουν πολύ μικρότερη μηχανική αντοχή από τους πολύκλωνους. Επίσης οι μονόκλωνοι είναι δύσκαμπτοι και η διατομή τους είναι μέχρι 16 mm 2. Οι αγωγοί χαλκού και αλουμινίου αποτελούνται από κλώνους της ίδιας διατομής και παίρνουν τη μορφή των συρματόσχοινων. Οι αριθμοί των κλώνων είναι κυρίως 7,19,37,61 κλπ. 18

19 Σχήμα 1.8 Αγωγός ACSR Οι απώλειες ισχύος των εναέριων γραμμών συνίστανται: Στα δίκτυα με γυμνούς αγωγούς στις απώλειες Joule των αγωγών, P Q P 3RI R όπου P και Q η ενεργή και η άεργη τριφασική ισχύς 2 U αντίστοιχα που μεταφέρεται από τη γραμμή. Υπενθυμίζεται ότι η κυκλοφορία άεργης ισχύος σε μια γραμμή συνεπάγεται αύξηση των ενεργών απωλειών. Στα δίκτυα με συνεστραμμένα καλώδια στις απώλειες Joule των αγωγών καθώς επίσης και στις απώλειες που δημιουργούνται στη μεταλλική θωράκιση κάθε φάσης από τα επαγόμενα σε αυτές ρεύματα κυκλοφορίας και Foucault. Οι απώλειες αυτές λαμβάνονται υπόψη με κατάλληλη προσαύξηση της ωμικής αντίστασης των αγωγών. Η επιλογή της διατομής των αγωγών μιας εναέριας γραμμής υπόκειται στην τήρηση τεχνικών περιορισμών που σχετίζονται: 1. Με τη μέγιστη επιτρεπτή ένταση (θερμικό όριο) που είναι αποδεκτή για κάθε διατομή και είδος αγωγού. 2. Με τη μέγιστη επιτρεπτή πτώση τάσης. 3. Με τη μηχανική αντοχή της γραμμής. Επομένως βέλτιστη διατομή είναι εκείνη για την οποία το κόστος της γραμμής θεωρούμενο στο σύνολο των ετών λειτουργίας της και ανηγμένο στο έτος κατασκευής, ελαχιστοποιείται. 19

20 Η επιλογή του είδους των αγωγών που θα χρησιμοποιηθούν εξαρτάται τόσο από το κόστος όσο και από τις περιβαλλοντικές συνθήκες της περιοχής και φυσικά από την επιφόρτιση. Έτσι οι αγωγοί ACSR χρησιμοποιούνται σε όλες τις περιπτώσεις τυποποιημένων επιφορτίσεων σε περιοχές φυσιολογικών συνθηκών διάβρωσης. Τα είδη των αγωγών μαζί με τις τυποποιημένες διατομές που χρησιμοποιούνται είναι τα εξής Γυμνοί Αγωγοί α) Αγωγοί ACSR 16 mm 2, 35 mm 2, 95 mm 2 (Διατομές ισοδύναμες χαλκού). β) Αγωγοί Cu 16 mm 2, 35 mm 2, 95 mm 2 Συνεστραμμένα καλώδια (θωρακισμένου τύπου) α) 3x50 mm 2 Al + 50 mm 2 St β) 3x150 mm 2 Al + 50 mm 2 St Παρακάτω παραθέτουμε τους πίνακες ( Π.1-1 ως Π.1-6 ) με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των εν χρήσει αγωγών των εναέριων γραμμών ΜΤ: Αγωγοί ACSR Π.1-1: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Είδος γραμμής (mm 2 ) R (Ω/km) X (Ω/km) 3x16 1,268 0,422 3x35 0,576 0,397 3x95 0,215 0,334 20

21 Π.1-2: Θερμικά όρια ικανότητας μεταφοράς ισχύος ACSR (mm 2 ) Θερμικό Όριο υπό Ονομαστική Τάση 15 kv 20 kv 3x16 3,5 MVA 4,7 MVA 3x35 5,8 MVA 7,7 MVA 3x95 11,6 MVA 15,5 MVA Αγωγοί Cu Π.1-3: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά. Είδος Γραμμής (mm 2 ) R(Ω/km) X(Ω/km) 3x16 1,274 0,417 3x35 0,596 0,393 3x95 0,22 0,358 Π.1-4: Θερμικά όρια ικανότητας μεταφοράς ισχύος Cu (mm 2 ) Θερμικό Όριο υπό Ονομαστική Τάση 15 kv 20 kv 3x16 3,0 MVA 4,0 MVA 3x35 4,8 MVA 6,4 MVA 3x95 9,1 MVA 12,2 MVA 21

22 Συνεστραμμένα καλώδια Π.1-5: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Διατομή (mm 2 ) R (Ω/km) X (Ω/km) C (Ω/km) 3x50 Al + 50 St 0,823 0, x150 Al + 50 St 0,266 0, Π.1-6: Θερμικά όρια ικανότητας μεταφοράς ισχύος Διατομή (mm 2 ) Θερμικό Όριο υπό Ονομαστική Τάση 15 kv 20 kv 3x50 Al + 50 St 4,5 MVA 6,0 MVA 3x150 Al + 50 St 8,8 MVA 11,7 MVA Υπόγεια καλώδια Μεταφορά και διανομή ηλεκτρικής ενέργειας με καλώδια συναντά κανείς σε δύο περιπτώσεις. Όταν το περιβάλλον δεν προσφέρεται για εναέρια μεταφορά και όταν δεν μπορούν να στηριχθούν οι εναέριοι αγωγοί λόγω μεγάλων ανοιγμάτων. Έτσι, συναντάμε καλωδιακές γραμμές στις πόλεις και στην υποθαλάσσια μεταφορά, ενδεχομένως σε συνδυασμό με συνεχές ρεύμα. Οι καλωδιακές γραμμές είναι εξαιρετικά πολυδάπανες (5 έως 10 φορές ακριβότερες από ότι οι αντίστοιχες εναέριες) και παρουσιάζουν δυσκολίες στη συντήρησή τους. Τα καλώδια, σε αντιδιαστολή προς τους απλούς μονωμένους αγωγούς, είναι κατασκευές που μπορούν να ενταφιαστούν ή να ποντιστούν, δηλαδή μπορούν να είναι συνεχώς υπό την επίδραση εδάφους και νερού χωρίς αυτό να επηρεάζει αρνητικά τη λειτουργία τους. 22

23 Τα τυποποιημένα είδη υπόγειων καλωδίων που χρησιμοποιούνται σήμερα στις γραμμές Μ.Τ. είναι: 1. Το τριπολικό καλώδιο με αγωγούς αλουμινίου, μόνωση από εμπλουτισμένο χαρτί, τριών ανεξάρτητων μολύβδινων μανδυών με κοινό χαλύβδινο οπλισμό (τύπος ΝΑΕΚΒΑ), διατομής 3x240 mm 2 (Σχ. 1.9). 2. Τρία μονοπολικά καλώδια με αγωγούς αλουμινίου, μόνωσης XLPE, με θωράκιση Al και εξωτερικό προστατευτικό μανδύα PVC, διατομής 240 mm 2, συνεστραμμένα γύρω από αγωγό γης από Al, διατομής 25 mm 2 που περιβάλλεται από μολύβδινο μανδύα (Σχ. 1.9). Για λόγους απλούστευσης περιγράφονται συνοπτικά ως 3x240 mm 2 Al + 25 mm 2 Al. Στα δίκτυα ΜΤ η χρήση καλωδίων μόνωσης XLPE ξεκίνησε πρόσφατα και πρόκειται να υποκαταστήσει πλήρως τη χρήση των καλωδίων ΝΑΕΚΒΑ. 23

24 Σχήμα 1.9 Καλώδια NAEBKA και XLPE Οι τιμές των επαγωγικών αντιδράσεων των υπογείων καλωδίων είναι χαμηλότερες σε σύγκριση με τις αντίστοιχες τιμές για τις εναέριες. Αντίθετα η τιμή της χωρητικότητας στα υπόγεια καλώδια είναι κατά πολύ σημαντικότερη από εκείνη των εναέριων γραμμών αφενός λόγω της μικρής απόστασης αγωγού-μανδύα ή θωράκισης και αφετέρου λόγω της μεσολάβησης ενός διηλεκτρικού με 24

25 διαπερατότητα υψηλότερη από εκείνη του αέρα. Επομένως η απορροφώμενη άεργη επαγωγική ισχύς είναι πολύ χαμηλή ως και αμελητέα εν συγκρίσει με την παραγόμενη άεργη χωρητική ισχύ. Οι απώλειες των υπόγειων καλωδίων διακρίνονται: Στις απώλειες Joule λόγω της ωμικής αντίστασης των αγωγών. Αυτές είναι μικρότερες από τις αντίστοιχες ισοδύναμες εναέριες γραμμές κυρίως λόγω των μεγαλύτερων διατομών των υπόγειων καλωδίων καθώς και λόγω της φύσης των χρησιμοποιούμενων αγωγών. Ενδεικτικά οι απώλειες μιας γραμμής ΜΤ 95 mm 2 ACSR είναι κατά 35% ως 50% υψηλότερες για το ίδιο φορτίο έναντι των καλωδίων ΜΤ. Στις απώλειες λόγω ρευμάτων κυκλοφορίας που επάγονται στους μεταλλικούς μανδύες, θωρακίσεις και οπλισμούς των καλωδίων, εφόσον συνδέονται και γειώνονται σε περισσότερα του ενός σημεία. Για τα καλώδια ΜΤ οι απώλειες αυτές είναι χαμηλές λόγω των σχετικά μικρών διατομών και της μικρής αξονικής απόστασης των πόλων και λαμβάνονται υπόψη με κατάλληλη προσαύξηση της ωμικής αντίστασης των αγωγών. Στις διηλεκτρικές απώλειες που αντιστοιχούν στην κυκλοφορία του ρεύματος στο μονωτικό υλικό δεδομένου ότι τα καλώδια δεν συνιστούν ιδανικούς πυκνωτές. Εξαρτώνται από το τετράγωνο της τάσης, τη συνολική χωρητικότητα και επομένως το μήκος του καλωδίου και από τη γωνία απωλειών του μονωτικού. Οι απώλειες αυτές είναι γενικά χαμηλότερες των απωλειών Joule, ιδιαίτερα για τα καλώδια με μόνωση XLPE. 25

26 Παρακάτω παραθέτουμε τους πίνακες ( Π.1-7 ως Π.1-8 ) με τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των εν χρήσει καλωδίων των υπόγειων γραμμών ΜΤ: Π.1-7: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά υπόγειων καλωδίων ΜΤ. Τύπος Καλωδίου (mm 2 ) R (Ω/km) X (Ω/km) C (nf/km) 3x240 Al + 25 Al 0,162 0, x240 Al 0,15 0, Π.1-8: Θερμικά όρια ικανότητας μεταφοράς ισχύος υπογείων γραμμών Τύπος Καλωδίου (mm 2 ) Θερμικό Όριο υπό Ονομαστική Τάση 15 kv 20 kv 3x240 Al + 25 Al 10,6 MVA 14,2 MVA 3x240 Al 8,0 MVA 10,7 MVA Υποσταθμοί ΜΤ/ΧΤ Οι υποσταθμοί ΜΤ/ΧΤ ή υποσταθμοί διανομής εξοπλίζονται με μετασχηματιστές 20kV / 0,4 kv ή kv / 0,4 kv των εξής τυποποιημένων μεγεθών ονομαστικής ισχύος: 50, 100, 160, 250, 400, 630, 1000 kva. Στο παρελθόν έχουν χρησιμοποιηθεί και άλλα μεγέθη μετασχηματιστών (75, 200, 500, 750 kva) σε υποσταθμούς αλλά δεδομένου ότι τα μεγέθη αυτά δεν εγκαθίστανται κατά τα τελευταία έτη, το ποσοστό των αντίστοιχων υποσταθμών μειώνεται συνεχώς. Στον παρακάτω πίνακα δίνεται ενδεικτικά η συνήθης κατανομή των μεγεθών μετασχηματιστών στους διάφορους τύπους υποσταθμών Διανομής καθώς και το αντίστοιχο πλήθος αναχωρήσεων ΧΤ. 26

27 Π.1-9: Κατανομή μεγεθών Μ/Σ στους υποσταθμούς και πλήθος αναχωρήσεων Χ.Τ. Υποσταθμοί Διανομής Εναέριοι Εσωτερικού Χώρου Συνεπτυγμένοι- Υπαίθριοι Ισχύς Μ/Σ (kva) Πλήθος Αναχωρήσεων Χ.Τ Πολλές φορές κρίνεται αναγκαία η παράλληλη λειτουργία δυο Μ/Σ για την κάλυψη ενός φορτίου. Αυτό γίνεται είτε γιατί δεν υπάρχει μετασχηματιστής που τα ονομαστικά του μεγέθη δεν καλύπτουν το φορτίο είτε για λόγους οικονομίας. Για να είναι δυνατός ο παραλληλισμός των Μ/Σ και να έχουμε ομοιόμορφη φόρτιση ανάλογα με το μέγεθός τους πρέπει να πληρούνται οι ακόλουθες συνθήκες: Η σχέση των ισχύων τους να είναι μεταξύ 1/3 και 3. Οι ονομαστικές τάσεις και ρυθμίσεις στη ΜΤ να είναι ίσες με ανοχή ±0,05%. Οι ονομαστικές τάσεις βραχυκύκλωσης να είναι ίσες με ανοχή 10%. Να έχουν ίδιες συνδεσμολογίες και να συνδεθούν με τους αντίστοιχους ακροδέκτες. Αν δεν είναι ίδιες οι συνδεσμολογίες επιτρέπεται ο παραλληλισμός Μ/Σ Dy5 και Dy11 όταν συμπίπτουν οι τάσεις τους με κατάλληλη αντιστοίχηση των ακροδεκτών τους. 27

28 Π.1-10: Ηλεκτρικά χαρακτηριστικά Μετασχηματιστών ΜΤ./ΧΤ Ονομαστική Ισχύς Ονομαστική Τάση Πρωτεύοντος Ονομαστική Τάση Δευτερεύοντος Ομάδα ζεύξης Ονομαστική Ένταση στο Δευτερεύον Τάση Βραχυκύκλωσης u% = z% Ωμική Αντίσταση Επαγωγική Αντίδραση (kva) (kv) (kv) (A) (%) (%) (Ω) (%) (Ω) ,4 Yzn , ,86 457, ,4 Yzn , ,4 272, ,4 Yzn , ,6 143, ,4 Dyn ,47 36,7 3,72 93, ,4 Dyn ,3 20,8 3,78 60, ,4 Dyn ,15 11,5 3,83 38, ,4 Dyn ,03 6,55 3,86 24, ,4 Dyn ,05 4,2 4,89 19,55 28

29 1.4 Απώλειες δικτύου ΜΤ Οι τεχνικές απώλειες ενός συστήματος διανομής είναι αποτέλεσμα της ίδιας της φύσης της μεταφοράς της ηλεκτρικής ενέργειας και ως εκ τούτου είναι τεχνικά αναπόφευκτες. Μπορούν να καταβληθούν προσπάθειες για τη μείωσή τους, δεν μπορούν όμως να μηδενιστούν. Το μέγεθος των τεχνικών απωλειών εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά, τις ιδιότητες και τη λειτουργία του υπάρχοντος δικτύου και των υπόλοιπων εγκαταστάσεων. Τα είδη των απωλειών που μπορούμε να συναντήσουμε στο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας είναι τα εξής: Απώλειες Joule Διηλεκτρικές απώλειες Απώλειες ρευμάτων κυκλοφορίας Απώλειες σιδήρου Τα τρία πρώτα είδη απωλειών δημιουργούνται λόγω της ροής του ρεύματος μέσω των γραμμών και καλωδίων όπως παρουσιάστηκαν παραπάνω. Οι απώλειες σιδήρου οφείλονται στο φαινόμενο υστέρησης και δινορρευμάτων που παρουσιάζουν κατά τη λειτουργία τους οι μετασχηματιστές και γενικά τα σιδηρομαγνητικά υλικά Οφέλη μείωσης απωλειών Τα βασικότερα οφέλη που προκύπτουν από τις ενέργειες για τη μείωση των απωλειών σ' ένα δίκτυο διανομής είναι πολύ σημαντικά και μπορούν να συνοψιστούν στα εξής: Μείωση των απωλειών (τεχνικών και μη) ισοδυναμεί με μείωση της παραγόμενης ενέργειας για την κάλυψη μιας αντίστοιχης ζήτησης, κάτι που σημαίνει μικρότερο κόστος παραγωγής, εξοικονόμηση σε καύσιμα και μείωση της ρύπανσης από τους σταθμούς παραγωγής. Μείωση του κόστους της κιλοβατώρας ( /kwh) και βελτίωση του προϊόντος που προσφέρεται στον καταναλωτή, αφού δεν έχουμε έντονα φαινόμενα πτώσεων τάσης και αποκοπής φορτίων στις περιόδους αιχμής. 29

30 1.4.2 Τρόποι μείωσης απωλειών Έχουν γίνει και εξακολουθούν να γίνονται αρκετές προσπάθειες για τη μείωση των απωλειών σε συστήματα διανομής. Μία από αυτές, σημαντική για τον τομέα των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας στη χώρα μας, ήταν η αλλαγή του επιπέδου τάσης στα δίκτυα μέσης τάσης από τα 15 kv στα 20 kv. Η συγκεκριμένη αλλαγή εφαρμόστηκε με επιτυχία στο ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας και επέφερε σημαντική μείωση στις απώλειες που παρατηρούνται στις γραμμές και τους μετασχηματιστές διανομής, καθώς και στους μετασχηματιστές στα κέντρα υποβιβασμού τάσης ΥΤ/ΜΤ. Όπως προαναφέρθηκε, η ύπαρξη των τεχνικών απωλειών στις ηλεκτρικές γραμμές είναι φαινόμενο αναγκαστικό μεν, αλλά συνάμα ανεπιθύμητο αφού συνεπάγεται ένα διαρκές κόστος ενέργειας, που επιβαρύνει την επιχείρηση ηλεκτρισμού. Θα πρέπει λοιπόν να λαμβάνεται κατάλληλη μέριμνα, ώστε οι απώλειες στις γραμμές να περιορίζονται στο ελάχιστο δυνατό. Οι τρόποι με τους οποίους μειώνονται οι τεχνικές απώλειες είναι οι εξής: Με αντιστάθμιση, διορθώνοντας έτσι το συντελεστή ισχύος cosφ. Αυξάνοντας τη διατομή των αγωγών, δηλαδή μειώνοντας την αντίσταση (R/km) των αγωγών (γεγονός που είναι ασύμφορο οικονομικά και στην περίπτωση του υπόγειου δικτύου τις περισσότερες φορές αδύνατο). Ομαλοποιώντας την καμπύλη φορτίου δίνοντας κίνητρα στους καταναλωτές ώστε να μειώνουν την κατανάλωση τις ώρες αιχμής Με αναδιάταξη ανασχηματισμό της δομής του δικτύου μέσω διακοπτικών κινήσεων. 1.5 Αντιστάθμιση Η παραγωγή άεργης ισχύος με στοιχεία, όπως πυκνωτές, αυτεπαγωγές ή σύγχρονους πυκνωτές, χρησιμοποιείται για να αλλάξουμε την άεργη ισχύ ενός καταναλωτή ή μιας γραμμής, οπότε μιλάμε για αντιστάθμιση. Η άεργη ισχύς δεν παράγει μέσο έργο. Προέρχεται από το γεγονός ότι, στις αυτεπαγωγές ή στους πυκνωτές δημιουργούνται περιοδικά πεδία. Δηλαδή, ενέργεια απορροφάται από το δίκτυο κατά τη διάρκεια 30

31 δημιουργίας του πεδίου και αποδίδεται πάλι στο δίκτυο κατά τη διάρκεια μείωσης του πεδίου. Η άεργη ισχύς μεταβάλλει τα παρακάτω μεγέθη σ ένα δίκτυο: Τις απώλειες των γραμμών που τροφοδοτούν το φορτίο. Την πτώση τάσης των γραμμών η οποία εξαρτάται, κατά ένα μεγάλο μέρος, από το άεργο φορτίο του καταναλωτή. Το ρεύμα του φορτίου. Τη φυσική αντίδραση μιας γραμμής, δηλαδή τη διαμήκη αυτεπαγωγή ή την εγκάρσια χωρητικότητά της. Έτσι, μπορούμε να αλλάξουμε τη φυσική ισχύ μιας γραμμής και το όριο ευστάθειας ενός συστήματος μεταφοράς Διόρθωση του συντελεστή ισχύος Σε περίπτωση που η συμπεριφορά του κυκλώματός μας είναι επαγωγική, όπως και συνήθως συμβαίνει, για την αντιστάθμιση της άεργης ισχύος τοποθετούμε πυκνωτές σε συνδεσμολογία αστέρα (Υ) ή τριγώνου (Δ). Σε αντίθετη περίπτωση, χωρητικής συμπεριφοράς, για αντιστάθμιση τοποθετούμε αυτεπαγωγές με ανάλογη συνδεσμολογία. Η άεργη ισχύς μπορεί να αντισταθμιστεί: Τοπικά, δηλαδή σε κάθε συσκευή, π.χ. κινητήρα, αν η συσκευή λειτουργεί συνεχώς με σταθερό φορτίο, έτσι μειώνονται τα ρεύματα και οι διατομές των καλωδίων. Ομαδικά, δηλαδή σε ομάδες συσκευών, αν αυτές έχουν συνεχή σταθερή λειτουργία, π.χ. λαμπτήρες. Κεντρικά ή γενικά, αν η φόρτιση των διαφόρων συσκευών είναι κυμαινόμενη. 31

32 1.5.2 Μέσα αντιστάθμισης Τα χρησιμοποιούμενα μέσα αντιστάθμισης είναι τα ακόλουθα: Πυκνωτές. Αυτεπαγωγές. Στρεφόμενος ή σύγχρονος πυκνωτής. Ρυθμιζόμενες χωρητικότητες. Ρυθμιζόμενες αυτεπαγωγές. Πυκνωτές σειράς. Πυκνωτές με παράλληλα πηνία με κορεσμένο πυρήνα. 1.6 Ρύθμιση τάσης Δεδομένου ότι η τάση τροφοδοσίας των καταναλωτών δεν είναι πρακτικά εφικτό να τηρείται συνεχώς ίση με την ονομαστική τους τιμή, καθιερώθηκαν ορισμένα αποδεκτά όρια διακύμανσης της τάσης τροφοδότησης, τα οποία υποχρεούνται να τηρούν οι ηλεκτρικές επιχειρήσεις διανομής. Για το δίκτυο ΜΤ, καθώς επίσης και για τους καταναλωτές ΜΤ, η ΔΕΗ έχει καθιερώσει τα παρακάτω όρια: Η διακύμανση της τάσης από την αντίστοιχη μέση τιμή, δεν πρέπει να αποκλίνει πέραν του 3% (ποσοστό επί της κανονικής). Η μέση τιμή της τάσης να βρίσκεται εντός των ορίων ±5% της ονομαστικής τάσης του δικτύου. Η ρύθμιση της τάσης περιλαμβάνει ρυθμιστές στις γραμμές και αντισταθμιστές πτώσης τάσης, καθώς και μετασχηματιστές αλλαγής βήματος. Αυτές οι συσκευές αλλάζουν το ρυθμό του βήματος (ρυθμός τάσης εισαγωγής προς τάση εξαγωγής) έτσι ώστε να αντιμετωπίζονται διαφοροποιήσεις από πιθανές πτώσεις τάσης. Χρησιμοποιούμενες σωστά βοηθούν στη διατήρηση του επιπέδου της τάσης εντός αποδεκτών ορίων, καθώς μπορούν να μειώσουν σημαντικά την διακύμανσή της χωρίς να μπορούν όμως να την εξαλείψουν τελείως. 32

33 1.6.1 Μέσα ρύθμισης τάσης Προκειμένου να τηρηθούν οι απαιτήσεις τάσης προβαίνουμε στα εξής μέτρα: Ρύθμιση τάσεως των ζυγών ΜΤ των Υποσταθμών ΥΤ/ΜΤ. Η ρύθμιση επιτυγχάνεται είτε από τον ίδιο το Μ/Σ μέσω του συστήματος μεταβολής τάσης υπό φορτίο (On Load Tap Changer) δηλαδή μεταβολής της σχέσης μετασχηματισμού, είτε από ιδιαίτερο αυτομετασχηματιστή - ρυθμιστή ο οποίος παρεμβάλλεται μεταξύ του Μ/Σ ισχύος και των ζυγών ΜΤ. Αναφέρεται ότι και οι δυο τύποι ρύθμισης είναι βηματικού τύπου. Προκειμένου να καθοριστούν τα στοιχεία της ρύθμισης είναι απαραίτητη η γνώση των μεγεθών και της φύσης των φορτίων κάθε γραμμής και των αντίστοιχων πτώσεων τάσης διότι ενώ η αντιστάθμιση της τάσης του Υ/Σ εξαρτάται από το συνολικό φορτίο, η πτώση τάσης της κάθε γραμμής εξαρτάται από τα φορτία αυτής. Εγκατάσταση ρυθμιστών τάσεως σε κάποια σημεία του δικτύου. Οι ρυθμιστές τάσης είναι αυτομετασχηματιστές με δυνατότητα μεταβολής της σχέσης μετασχηματισμού και συνεπώς της τάσης υπό φορτίο. Έχουν περιοχή ρύθμισης 10%, 33 λήψεις και βήμα 5/8 %. Εγκαθίστανται σε σημείο της γραμμής όπου επιβάλλεται η ρύθμιση της τάσης πέραν αυτού. Εγκατάσταση σταθερών ή αποζεύξιμων πυκνωτών σε συγκεκριμένα σημεία του δικτύου. Είναι η κύρια μέθοδος που χρησιμοποιείται. Στα δίκτυα με εναλλασσόμενο ρεύμα χρησιμοποιούνται πυκνωτές που κυρίως συνδέονται παράλληλα με το δίκτυο, όπως ένας τριφασικός καταναλωτής. Οι πυκνωτές στο δίκτυο λειτουργούν σαν γεννήτριες παραγωγής χωρητικών φορτίων που στοχεύουν στη μείωση των επαγωγικών φορτίων των καταναλωτών και των επαγωγικών ρευμάτων που οφείλονται στην επαγωγική αντίσταση των γραμμών. Έτσι επιτυγχάνουμε βελτίωση του συνημίτονου των γραμμών, μείωση της πτώσης τάσης και μείωση των απωλειών. Οι προαναφερθέντες λόγοι σε συνδυασμό με το μικρό κόστος τους και την ευκολία εγκατάστασής, τους καθιστά ως το ιδανικό μέσο σωστής εκμετάλλευσης των δικτύων. 33

34 1.7 Διανεμημένη Παραγωγή Γενικά, ο όρος διανεμημένη παραγωγή (ΔΠ) αναφέρεται σε οποιαδήποτε μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας η οποία συνδέεται στα δίκτυα διανομής, κοντά στο σημείο της κατανάλωσης για την παροχή κυρίως ενεργού ισχύος. Οι διανεμημένοι παραγωγοί συνδέονται είτε στο δίκτυο διανομής ΜΤ, δηλαδή στα 20 kv, είτε στη χαμηλή τάση, δηλαδή μετά το μετρητή του καταναλωτή στα 400V. Τα συστήματα διανεμημένης παραγωγής έχουν προς το παρών μια ικανότητα παραγωγής από μερικά kw μέχρι 50 MW. Οι περισσότερες γεννήτριες της ΔΠ χρησιμοποιούν παραδοσιακούς τρόπους παραγωγής: πετρέλαιο, μηχανές εσωτερικής καύσης ή συνδυασμένου κύκλου κ.ά. Επιπρόσθετα ακόμα σε μεγάλο ποσοστό χρησιμοποιούνται ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ), όπως αέρας, ήλιος και νερό. Βασικό πλεονέκτημά τους έναντι των συμβατικών πηγών είναι το ότι ανανεώνονται από την φύση, δεν προκαλούν μόλυνση της ατμόσφαιρας και συμβάλλουν στη μείωση των εκπομπών διοξειδίου του άνθρακα και άλλων αερίων ρύπων. Οι γεννήτριες των ΑΠΕ προτιμώνται επίσης διότι το μικρό τους μέγεθος επιτρέπει την απευθείας σύνδεση τους στο δίκτυο ΧΤ του κεντρικού δικτύου. Επίσης, τα τελευταία χρόνια βρίσκεται σε εξέλιξη η χρήση μικροστροβίλων και κυψελών καυσίμου. 34

35 2. Σχεδίαση μονοφασικού αντιστροφέα για τη διασύνδεση φωτοβολταϊκού συστήματος στο δίκτυο ΧΤ Αρχικός μας στόχος ήταν η κατασκευή ενός αντιστροφέα μικρής ισχύος (50 W) για τη διασύνδεση μιας συστοιχίας φωτοβολταϊκών στο δίκτυο χαμηλής τάσης (230V). Η υλοποίηση όμως του ελέγχου του αντιστροφέα αποδείχθηκε ιδιαιτέρως δύσκολη καθώς απαιτούσε πολύ καλή γνώση προγραμματισμού μικροελεγκτών, κάτι το οποίο ξέφευγε από τα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής. Για τον λόγο αυτό στο παρών κεφάλαιο θα παρουσιαστεί μόνο το κομμάτι της σχεδίασης μέσω του λογισμικού PSIM. 2.1 Κύκλωμα του αντιστροφέα Ο αντιστροφέας (εικ. 2.1) που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση με το δίκτυο αποτελείται από τέσσερις διακόπτες MOSFET με αντιπαράλληλες διόδους σε διάταξη πλήρους γέφυρας. Η είσοδος του αντιστροφέα αναπαρίσταται με μια πηγή συνεχούς τάσης 24V αφού είχε αποφασισθεί η χρησιμοποίηση μπαταριών αντί φωτοβολταϊκων πάνελ για λόγους ευκολίας. Για την απαλοιφή των αρμονικών (THD <4% για την τάση και THD < 5% για το ρεύμα) χρησιμοποιείται μια αυτεπαγωγή σε σειρά με μια αντίσταση, οι τιμές των οποίων προκύπτουν με βάση το ρεύμα των 4A που απαιτείται για την ονομαστική ισχύ του αντιστροφέα. Ύστερα από προσομοιώσεις επιλέχθηκε τα παραπάνω στοιχεία να έχουν τιμές R=1mΩ και L= 10mΗ. Η σύνδεση με το δίκτυο πραγματοποιείται μέσω μετασχηματιστή ανύψωσης τάσης 12/230V. 35

36 Εικόνα 2.1 κύκλωμα αντιστροφέα 2.2 Σχεδιασμός PLL Με τον βρόγχο κλειδώματος φάσης (PLL) πετυχαίνουμε τη συμφασικότητα μεταξύ του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα και της τάσης του δικτύου ώστε να μην υπάρχει ανταλλαγή άεργης ισχύος. Το PLL δέχεται ως είσοδο την τάση V a του σημείου σύνδεσης του αντιστροφέα με το δίκτυο. Έπειτα, αυτή πολλαπλασιάζεται με ένα σήμα συνημίτονου με μοναδιαίο μέτρο και συχνότητας f=50hz. Το σήμα που προκύπτει περνά από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο συντονισμένο στα 50Hz. Η έξοδος του φίλτρου περνά από έναν PI ελεγκτή και η έξοδος του προστίθεται σε ένα πριονωτό σήμα συχνότητας 50Hz. Αυτό το πριονωτό σήμα αποκτά τη μέγιστη τιμή του στο τέλος κάθε περιόδου. Το άθροισμα αυτών των δύο σημάτων οδηγείται σε μια διακλάδωση. Στον ένα κλάδο περνά από ένα μπλοκ συνημίτονου, όπου η είσοδος του είναι ένα όρισμα και στην έξοδο του προκύπτει το συνημίτονο του ορίσματος, το οποίο στη συνέχεια επιστρέφει στον πολλαπλασιαστή. Στον άλλο κλάδο περνά από ένα μπλοκ ημιτόνου με αντίστοιχη λειτουργία. Με αυτό τον τρόπο παίρνουμε στην έξοδο ένα ημιτονοειδές σήμα με μοναδιαίο μέτρο μετατοπισμένο κατά τη φάση του δικτύου. 36

37 Εικόνα 2.2 κύκλωμα PLL 2.3 Μέθοδος ελέγχου των διακοπτών του αντιστροφέα Η μέθοδος που εφαρμόσθηκε για τον έλεγχο του αντιστροφέα είναι σταθερού ρεύματος και συγκεκριμένα με έλεγχο ζώνης ανοχής. Αρχικά δημιουργούμε ένα ρεύμα αναφοράς I ref (εικ. 2.3), που καθορίζει έμμεσα την ισχύ εξόδου του αντιστροφέα και που είναι συμφασικό με την V a. Στη συνέχεια δημιουργούμε τη ζώνη ανοχής και έπειτα γίνεται η σύγκριση του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα με τη ζώνη ανοχής. Όταν το ρεύμα υπερβεί το άνω όριο της ζώνης τότε κλείνουν οι διακόπτες Τ2,Τ3 και όταν το ρεύμα πέσει χαμηλότερα από το κάτω όριο της ζώνης τότε κλείνουν οι διακόπτες Τ1,Τ4 (εικ. 2.4). Η συχνότητα μετάβασης εξαρτάται από το πόσο γρήγορα μεταβάλλεται το ρεύμα από το άνω όριο της ζώνης ανοχής και αντίστροφα. Η επιλογή της ζώνης ανοχής γίνεται λαμβάνοντας υπόψη τα εξής κριτήρια. Μια μικρή ζώνη ανοχής σε σχέση με την τιμή του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα, θα σημαίνει μεγάλη συχνότητα μετάβασης, που μεταφράζεται σε μεγαλύτερες απώλειες για τον αντιστροφέα. Όμως το ρεύμα στην έξοδο του αντιστροφέα θα έχει μικρότερη αρμονική παραμόρφωση, κάτι που οδηγεί στην ευκολότερη και οικονομικότερη επιλογή φίλτρου (το οποίο είναι απαραίτητο για την διασύνδεση της φωτοβολταϊκής εγκατάστασης στο δίκτυο) για την έξοδο του αντιστροφέα. Το αντίθετο ισχύει για μεγάλη ζώνη ανοχής σε σχέση με την τιμή του ρεύματος στην έξοδο (μικρότερες απώλειες ισχύος, αλλά μεγαλύτερη αρμονική παραμόρφωση). Η τελική επιλογή ζώνη ανοχής για τον αντιστροφέα γίνεται 37

38 έτσι ώστε να ικανοποιούνται τα παραπάνω τεχνοοικονομικά κριτήρια. Για την σχεδίαση του συστήματος ελέγχου του αντιστροφέα χρησιμοποιήθηκε ζώνη ανοχής 2%. Εικόνα 2.3 Δημιουργία ρεύματος αναφοράς Εικόνα 2.4 Υλοποίηση ζώνης ανοχής ρεύματος Λόγω της μη ιδανικής λειτουργίας των διακοπτικών στοιχείων εισάγεται μία καθυστέρηση στο κλείσιμο τους(κενός χρόνος), ο οποίος επιλέγεται συντηρητικά, για την αποφυγή της βραχυκύκλωσης του σκέλους. Ο κενός χρόνος επιλέχθηκε για τα συγκεκριμένα διακοπτικά στοιχεία να είναι 2μs. 38

39 \ Εικόνα 2.5 Ζώνη ανοχής ρεύματος με είσοδο κενού χρόνου Παρακάτω φαίνεται η λειτουργία της ζώνης ανοχής (εικ. 2.6) και στη συνέχεια τα διαγράμματα της τάσης και του ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα (εικ. 2.7). Εικόνα 2.6 Ρεύμα εξόδου περιορισμένο στη ζώνη ανοχής 39

40 Εικόνα 2.7 Διάγραμμα τάσης και ρεύματος εξόδου του αντιστροφέα 40

41 3. Μοντελοποίηση τυπικού δικτύου διανομής 3.1 Εξεταζόμενο δίκτυο Το δίκτυο διανομής που θα αποτελεί το αντικείμενο προσομοίωσης είναι μια τυπική μορφή βροχοειδούς δικτύου μέσης τάσης όπου η κάθε γραμμή μπορεί να τροφοδοτηθεί από δύο διαφορετικούς υποσταθμούς ΥΤ 150/20 kv για την εξυπηρέτηση των καταναλωτών. Συγκεκριμένα θα εξεταστούν δύο τοπολογίες αυτού του δικτύου: α) Από τον υποσταθμό ΥΤ θα αναχωρεί μία γραμμή για την εξυπηρέτηση 36 υποσταθμών μέσης προς χαμηλής τάσης. β) Η εξυπηρέτηση των παραπάνω υποσταθμών ΜΤ/ΧΤ γίνεται από δύο διαφορετικούς υποσταθμούς ΥΤ. Ο κάθε υποσταθμός ΜΤ/ΧΤ θα έχει ονομαστική ισχύ 400 kva, η συνολική επομένως εγκατεστημένη ισχύς και στις δύο τοπολογίες θα είναι 14,4 MVA. Σε αυτό το σημείο επισημαίνεται ότι το μοντέλο που πρόκειται να υλοποιηθεί θα πρέπει να είναι συμβατό με τον ήδη υπάρχοντα εξοπλισμό του εργαστηρίου Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας (Τάση λειτουργίας 400 V, Ονομαστική ισχύς διατάξεων 230 VA).Έτσι όλοι οι υπολογισμοί θα στηριχθούν στην αναγωγή της τάσης λειτουργίας του δικτύου ΜΤ από τα 20 kv σε 400 V και της ισχύoς από τα 14,4 MVA στα 230 VA. 41

42 3.2 Χαρακτηριστικά του μοντέλου Στο μοντέλο που θα κατασκευαστεί θα υπάρχει η δυνατότητα: Μεταβολής της ισχύος των φορτίων (καταναλωτών). Επιλογής του είδους της γραμμής Επιλογής του μήκους των γραμμών. Επιλογής του αριθμού των γραμμών αναχώρησης από τον υποσταθμό (μία ή δύο γραμμές αναχώρησης). Ανασχηματισμού του δικτύου μέσω διακοπτών Μεταβολή της ισχύος των φορτίων Η κατασκευή των φορτίων που θα αντιπροσωπεύουν τους καταναλωτές, θα βασιστεί στα υλικά που είναι ήδη διαθέσιμα στο εργαστήριο Συστημάτων Ηλεκτρικής Ενέργειας τα οποία είναι: Αντιστάσεις 1100 Ω, 2200 Ω, 4400 Ω Πηνία 14 Η, 7 Η, 3.5 Η Πυκνωτές 0.72 μf, 1.45 μf, 2.89 μf Επιπλέον θα χρησιμοποιηθούν πρόσθετες αντιστάσεις για μεταβολή της ισχύος και του συντελεστή ισχύος του κάθε φορτίου. Η μεταβολή της ισχύος των φορτίων επιλέχθηκε με σκοπό την πιο ρεαλιστική απόδοση της φόρτισης των Μ/Σ διανομής της εξεταζόμενης τοπολογίας. 42

43 Υπολογισμός των χαρακτηριστικών στοιχείων των φορτίων Οι αντιστάσεις που θα μπορούν να συνδεθούν σε σειρά με τις ήδη υπάρχουσες για την κάλυψη ενός μεγαλύτερου εύρους ισχύος είναι: 3 αντιστάσεις 100 Ω σε σειρά, με διακόπτη για την επιλογή εύρους Ω. 3 αντιστάσεις 220 Ω σε σειρά, με διακόπτη για την επιλογή εύρους Ω. 3 αντιστάσεις 1 kω σε σειρά, με διακόπτη για την επιλογή εύρους 1 kω-3 kω και οι συνδυασμοί των παραπάνω. Όλοι οι δυνατοί συνδυασμοί φορτίων που προκύπτουν παρουσιάζονται παρακάτω μαζί με την ισχύ και το συντελεστή ισχύος του κάθε φορτίου. Συνδυασμοί με βάση την αντίσταση 1100 Ω και την αυτεπαγωγή 3,5 Η Για το φορτίο με χαρακτηριστικά στοιχεία R=1100 Ω,L=3,5 Η χωρίς σύνδεση σε σειρά επιπλέον αντίστασης ισχύει: Σύνθετη αντίσταση : Ζ= = = 1555,32 Ω Συντελεστής ισχύος: cosφ=cos( )= 0,70725 Φαινόμενη Ισχύς: S = = 102,873 VA Ενεργή ισχύς: P=S cosφ =72,7566 W Άεργη ισχύς: Q=S sinφ =72,7273 Var Με τον ίδιο τρόπο υπολογίζονται τα χαρακτηριστικά στοιχεία των φορτίων που προκύπτουν με χρήση της αντίστασης 1100 Ω και της αυτεπαγωγής 3,5 Η σε σειρά με τις επιπλέον αντιστάσεις. Ακολουθούν οι πίνακες με τα χαρακτηριστικά των φορτίων ομαδοποιημένοι κατά τον συντελεστή ισχύος 43

44 Π.3-1 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 1100 Ω και 3,5 Η (cosφ 0,7-0,85) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,5 1099,557 72, , , , , ,5 1099,557 72, , , , , ,5 1099,557 71, , ,6856 0, , ,5 1099,557 71, , , , , ,5 1099,557 70, , ,5152 0, , ,5 1099,557 70, , , , , ,5 1099,557 69, , , , , ,5 1099,557 68, , , , , ,5 1099,557 67, , , , , ,5 1099,557 67, , , , , ,5 1099,557 65, , , , , ,5 1099,557 65, , ,8508 0, ,241 Π.3-2 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 1100 Ω και 3,5 Η (cosφ 0,85-0,95) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,5 1099,557 64, , , , , ,5 1099,557 63, , , , , ,5 1099,557 62, , , , , ,5 1099,557 60, , , , , ,5 1099,557 59, , , , , ,5 1099,557 58, , , , , ,5 1099,557 56, , , , , ,5 1099,557 56, , , , , ,5 1099,557 55, , , , , ,5 1099,557 54, , ,9 0, , ,5 1099,557 53, , , , , ,5 1099,557 53, , , , , ,5 1099,557 51, , , , , ,5 1099,557 51, , , , , ,5 1099,557 50, , , , , ,5 1099,557 50, , , , , ,5 1099,557 48, , , , , ,5 1099,557 48, , , , , ,5 1099,557 47, , , , , ,5 1099,557 46, , , , , ,5 1099,557 45, , , , , ,5 1099,557 44, , , , , ,5 1099,557 43, , , , , ,5 1099,557 43, , , , ,345 44

45 Π.3-3 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 1100 Ω και 3,5 Η (cosφ 0,95-0,98) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,5 1099,557 42, , ,7778 0, , ,5 1099,557 42, , , , , ,5 1099,557 41, , , , , ,5 1099,557 41, , , , , ,5 1099,557 40, , , , , ,5 1099,557 40, , , , , ,5 1099,557 39, , , , , ,5 1099,557 39, , ,4637 0, , ,5 1099,557 38, , , , , ,5 1099,557 38, , , , , ,5 1099,557 37, , , , , ,5 1099,557 36, , , , , ,5 1099,557 36, , , , , ,5 1099,557 35, , , , , ,5 1099,557 34, , , , , ,5 1099,557 34, , , , , ,5 1099,557 34, , , , , ,5 1099,557 34, , , , , ,5 1099,557 33, , , , , ,5 1099,557 33, , , , , ,5 1099,557 32, , , , , ,5 1099,557 32, ,5535 7, , , ,5 1099,557 32, , , , , ,5 1099,557 31, , , , , ,5 1099,557 31, , , , , ,5 1099,557 31, , , , , ,5 1099,557 30, , , , , ,5 1099,557 30, , , , ,091 45

46 Συνδυασμοί με βάση την αντίσταση 2200 Ω και την αυτεπαγωγή 7 Η Επίσης τα χαρακτηριστικά των φορτίων που προκύπτουν με χρήση της αντίστασης 2200 Ω και της αυτεπαγωγής 7 Η σε σειρά με τις επιπλέον αντιστάσεις. Π.3-4 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 2200 Ω και 7 Η (cosφ 0,7-0,85) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,113 36, , , , , ,113 36, , , , , ,113 36, , , , , ,113 36, , ,907 0, , ,113 36, , , , , ,113 36, , , , , ,113 35, , , , , ,113 35, , , , , ,113 35, , ,7595 0, , ,113 35, , , , , ,113 35, , , , , ,113 35, , , , , ,113 34, , , , , ,113 34, , ,8763 0, , ,113 34, , , , , ,113 34, , , , , ,113 33, , ,3388 0, , ,113 33, , , , , ,113 33, , , , , ,113 33, , , , , ,113 32, , , , , ,113 32, , ,4254 0, ,482 46

47 Π.3-5 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 2200 Ω και 7 Η (cosφ 0,85-0,9) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,113 32, , ,6125 0, , ,113 32, , , , , ,113 31, , , , , ,113 31, , , , , ,113 31, , , , , ,113 31, , , , , ,113 30, , , , , ,113 30, , ,149 0, , ,113 30, , ,5039 0, , ,113 30, , ,8912 0, , ,113 29, , , , , ,113 29, , , , , ,113 29, , , , , ,113 29, , , , , ,113 28, , , , , ,113 28, , , , ,579 47

48 Π.3-6 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 2200 Ω και 7 Η (cosφ 0,9-0,95) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,113 28, , ,4397 0, , ,113 28, , ,3453 0, , ,113 27, , , , , ,113 27, , , , , ,113 27, , ,45 0, , ,113 27, , , , , ,113 27, , , , , ,113 26, , , , , ,113 26, , , , , ,113 26, , ,1837 0, , ,113 26, , ,0383 0, , ,113 25, , ,6863 0, , ,113 25, , , , , ,113 25, , , , , ,113 25, , , , , ,113 25, , , , , ,113 24, , , , , ,113 24, , , , , ,113 24, , , , , ,113 24, , , , , ,113 23, , , , , ,113 23, , , , , ,113 23, , , , , ,113 23, , , , , ,113 23, , , , , ,113 23, , ,2245 0, ,772 48

49 Συνδυασμοί με βάση την αντίσταση 4400 Ω και την αυτεπαγωγή 14 Η Τέλος τα χαρακτηριστικά των φορτίων που προκύπτουν με χρήση της αντίστασης 4400 Ω και της αυτεπαγωγής 14 Η σε σειρά με τις επιπλέον αντιστάσεις. Π.3-7 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 4400 Ω και 14 Η (cosφ 0,7-0,8) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , ,4535 0, , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 18, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , ,5083 0, , ,226 17, , , , , ,226 17, , ,8788 0, , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , ,95 49

50 Π.3-8 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 4400 Ω και 14 Η (cosφ 0,8-0,85) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 17, , ,2834 0, , ,226 17, , , , , ,226 17, , , , , ,226 16, , ,6694 0, , ,226 16, , ,425 0, , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , ,2127 0, , ,226 16, , , , ,932 50

51 Π.3-9 Συνδυασμοί φορτίων με βάση τα 4400 Ω και 14 Η (cosφ 0,85-0,89) R (Ω) L (Η) X (Ω) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, , , , , ,226 16, ,661 9, , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 15, ,2931 8,2206 0, , ,226 15, , , , , ,226 15, , , , , ,226 14, , , , ,375 51

52 Επιλογή των φορτίων προς αντιστάθμιση Η ονομαστική ισχύς των διατάξεων του εργαστηρίου (230 VA) θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη ώστε τα φορτία που θα συνδεθούν να μην ξεπεράσουν την ισχύ αυτή. Επιπλέον η παράλληλη σύνδεση των πυκνωτών με σκοπό την αντιστάθμιση δεν μπορεί να είναι τυχαία, διότι όπως θα δούμε οι πυκνωτές είναι αρκετά "μεγάλοι" και μπορούν εύκολα να μετατρέψουν ένα επαγωγικό φορτίο σε χωρητικό. Ο πυκνωτής 0,72 μf σε σύνδεση αστέρα παράγει άεργη ισχύ ίση με: Q C =C V 2 ω=0, π=36,19 Var Ο πυκνωτής 1,45 μf σε σύνδεση αστέρα παράγει άεργη ισχύ ίση με: Q C =C V 2 ω=1, π=72,88 Var Ο πυκνωτής 2,89 μf σε σύνδεση αστέρα παράγει άεργη ισχύ ίση με: Q C =C V 2 ω=2, π=145,26 Var Συγκρίνοντας την άεργη ισχύ που καταναλώνει κάθε φορτίο από τους πίνακες Π.3-1 -Π.3-9 με την άεργη ισχύ που παράγει κάθε πυκνωτής παρατηρούμε πως οι δύο τελευταίοι πυκνωτές δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν για αντιστάθμιση κανενός φορτίου διότι ο συντελεστής ισχύος του θα γίνει χωρητικός. Ο πυκνωτής όμως 0,72 μf μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αντιστάθμιση των φορτίων του πίνακα Π.3-1. Στην πραγματικότητα αρκεί ένα cosφ =0,9-0,95 διότι η πιο πέρα διόρθωση του συντελεστή ισχύος επιβαρύνει υπερβολικά το κόστος σε πυκνωτές. Για αυτόν ακριβώς τον λόγο η αντιστάθμιση θα γίνει για τα τέσσερα πρώτα φορτία του πίνακα Π.3-1.Τα νέα χαρακτηριστικά των φορτίων μετά την αντιστάθμιση υπολογίζονται ως εξής: 52

53 Αντιστάθμιση Φορτίου R=1100 Ω, L=3,5 H με σύνδεση σε αστέρα πυκνωτή 0,72 μf Ενεργή ισχύς: P=72,756 W (παραμένει σταθερή) Άεργη ισχύς: Q νέο =Q φορτίου -Q C =72,72-36,19 =36,536 Var Φαινόμενη Ισχύς: S= = =81,415 Var Συντελεστής ισχύος: cosφ=cos( )= 0,89365 Σύνθετη αντίσταση: Z= = =1965,238 Ω Παρόμοια γίνονται και υπολογισμοί για τα υπόλοιπα φορτία τα οποία παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα: Π.3.10 Χαρακτηριστικά των φορτίων μετά την αντιστάθμιση R (Ω) L (Η) C (μf) P (W) S (VA) Q (Var) cosφ V (V) Z (Ω) ,5 0,72 72, , , , , ,5 0,72 72, , , , , ,5 0,72 71, , , , , ,5 0,72 71, , , , , Επιλογή του είδους της γραμμής Στην αρχή του κεφαλαίου έγινε η παρουσίαση του δικτύου που πρόκειται να μοντελοποιηθεί, το οποίο θα αποτελείται από μία ή δύο γραμμές διανομής που θα εξυπηρετούν συνολικά 36 μετασχηματιστές ονομαστικής ισχύος 400 kva ο καθένας. Είτε πρόκειται για εναέριους αγωγούς είτε για υπόγεια καλώδια η επιλογή της διατομής των αγωγών θα γίνει με βάση το μέγιστο διαρκώς επιτρεπόμενο θερμικό ρεύμα που συνεπάγεται και το θερμικό όριο της μεταφερόμενης ισχύος. Έχοντας ήδη γνωστά από προηγούμενο κεφάλαιο τα χαρακτηριστικά και τις μέγιστες επιτρεπόμενες φορτίσεις για τις εναέριες και υπόγειες γραμμές διανομής επιλέγονται για την γραμμή που αναχωρεί από τον υποσταθμό (γραμμή κορμού) χρησιμοποίηση γυμνού αγωγού ACSR 95mm 2 και υπογείου καλωδίου XLPE. 53

54 Σε αυτό το σημείο επαναλαμβάνουμε πως αναγωγή των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών της κάθε γραμμής σε εκείνα του μοντέλου γίνεται θεωρώντας τις παρακάτω τιμές βάσης: Τα 20 kv για την τάση του δικτύου μέσης τάσης και τα 400 V για την τάση λειτουργίας του μοντέλου καθώς και Τα 14,4 MVA για την ισχύ του δικτύου μέσης τάσης(πλήρη φόρτιση των μετασχηματιστών όλων των καταναλωτών) και τα 230 VA για την ισχύ του μοντέλου (μέγιστη ισχύς όλων των φορτίων) Με βάση τα παραπάνω η αντίσταση βάσης του δικτύου μέσης τάσης είναι Z BaseMT = =27,77 Ω Οπότε οι p.u τιμές των γραμμών που επιλέχτηκαν φαίνονται στο παρακάτω πίνακα. Π.3-11 Χαρακτηριστικά γραμμών σε pu Τύπος γραμμής(mm2) R (pu/km) X (pu/km) Γραμμή ACSR 95 0, , Καλώδιο XLPE 0, ,00414 Πολλαπλασιάζοντας τις παραπάνω τιμές με την αντίσταση βάσης του μοντελοποιημένου δικτύου Z BaseModel = = 695,652 Ω προκύπτουν τα χαρακτηριστικά των γραμμών που θα χρησιμοποιηθούν ως ισοδύναμα των πραγματικών. Π.3-12 Ισοδύναμα χαρακτηριστικά γραμμών σε pu Ισοδύναμη γραμμή R(Ω/km) X (Ω/km) L(H/km) Γραμμή ACSR 95 5, , , Καλώδιο XLPE 4, ,88 0,

55 3.2.3 Επιλογή του μήκους της κάθε γραμμής. Για την εναέρια γραμμή ACSR 95 mm 2 καθώς και για το καλώδιο XLPE θα δίνεται η δυνατότητα επιλογής του μήκους της κάθε γραμμής μεταξύ δύο διαφορετικών τιμών. Στους πίνακες που ακολουθούν δίνονται τα μήκη και οι αυτεπαγωγές των γραμμών που προέκυψαν με βάση τις τυποποιημένες τιμές των αντιστάσεων που κυκλοφορούν στο εμπόριο. Εναέριες γραμμές ACSR Π.3-13 Μήκος και χαρακτηριστικά ACSR 95mm 2 Γραμμή ACSR 95 mm 2 R(Ω) km L(Η) 33 5,822 0, ,451 0,225 Υπόγεια καλώδια XLPE Π.3-14 Μήκος και χαρακτηριστικά γραμμής κορμού XLPE Καλώδιο XLPE (γραμμή κορμού) R(Ω) km L(Η) 22 5,781 0, ,11 55

56 4. Κατασκευή εργαστηριακού μοντέλου δικτύου διανομής Στο συγκεκριμένο κομμάτι της παρούσας διπλωματικής ανήκουν η κατασκευή μοντέλων των γραμμών διανομής καθώς και ωμικών φορτίων που θα συνδυάζονται με τα ήδη υπάρχοντα στοιχεία (αντιστάσεις, πηνία, πυκνωτές) του εργαστηρίου. Πρωταρχικό στόχο αποτέλεσε η άριστη συνεργασία των επιμέρους τμημάτων καθώς και η ασφάλεια του προσωπικού. 4.1 Κατασκευή μοντέλου γραμμών διανομής Με βάση τα ονομαστικά στοιχεία των διατάξεων του εργαστηρίου υπολογίζεται το μέγιστο ρεύμα που θα διαρρέει τη γραμμή μέσω της σχέσης: Ι max = = = 0,33 Α Η επιλογή των χαρακτηριστικών στοιχείων των γραμμών που έγιναν στο προηγούμενο κεφάλαιο, τα οποία παρουσιάζονται στους πίνακες Π.3-13,Π.3-14 και θεωρώντας τα 0,4 Α ως μέγιστο επιτρεπτό ρεύμα οδήγησαν στην παραγγελία των παρακάτω υλικών Αντιστάσεις Η ονομαστική ισχύς των αντιστάσεων η οποία αποτελεί την μέγιστη θερμική ισχύ που μπορεί να αποδώσει ο αντιστάτης στο περιβάλλον χωρίς να καταστραφεί βρίσκεται από την σχέση P=I 2 R. Υπολογίζοντας την ονομαστική ισχύ για κάθε αντίσταση επιλέχθηκε η χρησιμοποίηση αντιστάσεων σύρματος (εικ. 4.1) με τα παρακάτω χαρακτηριστικά : R=22 Ω /5 W R=33 Ω /10 W R=47 Ω /10 W 56

57 Εικόνα 4.1 Αντιστάσεις σύρματος 22 Ω, 33 Ω, 47 Ω Πηνία Για την υλοποίηση τεσσάρων διαφορετικών γραμμών διανομής απαιτούνται τέσσερα πηνία συνδυαζόμενα με τις αντίστοιχες αντιστάσεις τους. Για εξοικονόμηση χώρου και υλικών επιλέχθηκε το κάθε πηνίο να έχει τέσσερις λήψεις όπου κάθε λήψη θα αντιστοιχεί σε ένα συγκεκριμένο μήκος και είδος γραμμής όπως φαίνεται στους πίνακες του κεφαλαίου 3 ( Π.3-13,Π.3-14). Όπως και οι αντιστάσεις έτσι και τα πηνία θα έχουν ονομαστικό ρεύμα 0,4 Α. 57

58 Εικόνα 4.2 Πηνία 4 λήψεων Κιβώτια γραμμών Οι αντιστάσεις σταθεροποιήθηκαν σε ειδική πλακέτα ώστε να διευκολυνθεί η συγκόλληση των καλωδίων. Όλες οι συνδέσεις έγιναν με ιδιαίτερη προσοχή και σε κάποια σημεία τοποθετήθηκε ειδικό θερμοσυστελλόμενο μακαρόνι για το δέσιμο των καλωδίων και την αποφυγή επαφής με το περίβλημα του κιβωτίου (εικ. 4.3). Εικόνα 4.3 Συνδεσμολογία κιβωτίου γραμμών 58

59 Σχήμα 4.1 Μονογραμμικό σχέδιο κιβωτίου γραμμών Τα πηνία μαζί με την πλακέτα στην οποία στηρίχθηκαν οι αντιστάσεις τοποθετήθηκαν σε μεταλλικό κιβώτιο διαστάσεων 25x15x7 cm. Για την είσοδο και την έξοδο της διάταξης χρησιμοποιήθηκαν έξι μπόρνες καθώς και μια επιπλέον για τη σύνδεση του αγωγού προστασίας. Η επιλογή κάθε διαφορετικής γραμμής γίνεται μέσω μικροδιακοπτών 3Α. 59

60 Εικόνα 4.4 Μπόρνα, μικροδιακόπτης και θερμοσυστελλόμενο μακαρόνι Εικόνα 4.5 Κιβώτιο γραμμών 60

61 Εικόνα 4.6 Πρόσοψη κιβωτίου γραμμών 4.2 Κατασκευή ωμικών φορτίων Για μεγαλύτερη ευελιξία στην επιλογή τιμών ισχύος κατασκευάστηκαν πρόσθετες αντιστάσεις με τιμές 100/220/1000 Ω. Το κάθε κιβώτιο που θα κατασκευαστεί θα περιέχει τρεις όμοιες αντιστάσεις σε σειρά για κάθε φάση. Οι ήδη υπάρχουσες αντιστάσεις του εργαστηρίου έχουν ονομαστική ισχύ: 1100 Ω/ 45 W 2200 Ω/ 22 W 4400 Ω/ 11 W Η ισχύς των πρόσθετων αντιστάσεων επιλέχθηκε με βάση τον συνδυασμό τους με την μικρότερη αντίσταση του εργαστηρίου 1100 Ω η οποία διαρρέεται με το μεγαλύτερο ρεύμα (0,2 Α). 61

62 Συνδυάζοντας την αντίσταση 100 Ω σε σειρά με την αντίσταση 1100 Ω ισχύει: R ολ =1200 Ω Ι= = 0,19 A Οπότε η ισχύς της αντίστασης των 100Ω προκύπτει P 100 =I 2 R =3,67 W. Ομοίως για τις αντιστάσεις των 220 και 1000 Ω ισχύουν αντίστοιχα P 220 =6,7 W, P 1000 =12 W. Λόγω της μεγάλης ισχύος επιλέχθηκαν αντιστάσεις σύρματος με τα παρακάτω χαρακτηριστικά: 100 Ω/5 W 220 Ω/10 W 1000 Ω/15 W Εικόνα 4.7 Αντιστάσεις σύρματος 1 kω, 220 Ω, 100 Ω 62

63 Οι συνδέσεις των αντιστάσεων και των διακοπτών για κάθε κιβώτιο φαίνονται παρακάτω: Κιβώτιο αντιστάσεων 100 Ω με τρεις διακόπτες για επιλογή τιμής 100 Ω, 200 Ω, 300 Ω ανά φάση. Σχήμα 4.2 Μονογραμμικό σχέδιο κιβωτίου αντιστάσεων 100 Ω Εικόνα 4.8 Κιβώτιο αντιστάσεων 100 Ω 63

64 Κιβώτιο αντιστάσεων 220 Ω με τρεις διακόπτες για επιλογή τιμής 220 Ω, 440 Ω, 660 Ω ανά φάση. Σχήμα 4.3 Μονογραμμικό σχέδιο κιβωτίου αντιστάσεων 220 Ω Εικόνα 4.9 Κιβώτιο αντιστάσεων 220 Ω 64

65 Κιβώτιο αντιστάσεων 1000 Ω με τρεις διακόπτες για επιλογή τιμής 1000 Ω, 2000 Ω, 3000 Ω ανά φάση. Σχήμα 4.4 Μονογραμμικό σχέδιο κιβωτίου αντιστάσεων 1000 Ω Εικόνα 4.10 Κιβώτιο αντιστάσεων 1000 Ω 65