ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟ ΟΙ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ Εργασία 2 η : Χρήση του λογισμικού Neplan για τον υπολογισμό ρευμάτων βραχυκύκλωσης κατά IEC 60909. ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ 2013
Εκφώνηση Η μελέτη υπολογισμού βραχυκυκλωμάτων κατά IEC 60909 πρέπει να πραγματοποιηθεί σε ένα δίκτυο διανεμημένης παραγωγής όπως φαίνεται στο Σχήμα 1. Στο δίκτυο αυτό υπάρχει μια σύγχρονη γεννήτρια (Steam Turbine) στα 15 kv, η οποία συνδέεται μέσω του μετασχηματιστή ανύψωσης ΤF1 σε ζυγό τάσης 150kV (B1). Πάνω στον ίδιο ζυγό είναι συνδεμένο και το δίκτυο NETWORK, τα δεδομένα βραχυκύκλωσης του οποίου δίνονται στους Πίνακες 1 και 2 και προέρχονται από το διαχειριστή του συστήματος. Ο ζυγός Β1 συνδέεται μέσω των καλωδίων CABLE1 και CABLE2 στους μετασχηματιστές υποβιβασμού ΤF2 και ΤF3, οι οποίοι συνδέονται στο ζυγό Β2 στα 20 kv. Πάνω στο ζυγό Β2 είναι συνδεμένη μια υδροηλεκτρική μονάδα παραγωγής με σύγχρονη γεννήτρια. Στον ίδιο ζυγό υπάρχει και ο μετασχηματιστής TF8 ο οποίος υποβιβάζει την τάση στα 400 V στο ζυγό Β5 όπου συνδέονται δύο ασύγχρονοι κινητήρες (MOTOR4 MOTOR5), το φορτίο LOAD2 και μια σύγχρονη γεννήτρια με μικροστρόβιλο (ΜΤ1). Ο ζυγός Β2 συνδέεται επίσης μέσω του διακόπτη C3 με τον ζυγό των 20 kv Β3. Πάνω στο ζυγό αυτό συνδέονται τρεις ανεμογεννήτριες με σύγχρονη μηχανή (WG1- WG3) μέσω μετασχηματιστών ανύψωσης 0.69/20 kv (TF4-TF6). Στον ίδιο ζυγό είναι επίσης συνδεδεμένος ένας μετασχηματιστής υποβιβασμού (TF7 20/6 kv) που οδηγεί στον ζυγό Β4 6 kv. Στο ζυγό αυτό βρίσκονται συνδεδεμένοι τρεις ασύγχρονοι κινητήρες (MOTOR1-MOTOR3) και το φορτίο LOAD1. Όλες οι γειώσεις των μετασχηματιστών θεωρούνται άμεσες (direct) ενώ των γεννητριών απομονωμένες (isolated).
Feeder ST WG1 WG2 WG3 N1 15 kv C1 N5 0.69 kv C4 C5 C6 N6 0.69 kv N7 0.69 kv TF1 TF4 TF5 TF6 B1 150 kv HYDRO1 CABLE1 CABLE2 N3 150 kv N4 150 kv C3 B3 20 kv C2 TF2 TF3 TF7 HYDRO2 B4 6 kv C7 B2 20 kv MT1 TF8 B5 0.4 kv C8 MOTOR1 MOTOR 2 MOTOR 3 LOAD1 MOTOR4 MOTOR 5 LOAD2 Σχήμα 1: Δίκτυο μελέτης υπολογισμού βραχυκυκλωμάτων. Στον Πίνακα 1 δίνονται οι στάθμες βραχυκύκλωσης για το δίκτυο των 150 kv όπως δίνονται από το διαχειριστή του συστήματος μεταφοράς. Πίνακας 1: Ρεύματα βραχυκύκλωσης δικτύου. Τύπος Σφάλματος I k, max I k,min 3φ σφάλμα / 150 kv 10,45 ka 7,25 ka 1φ σφάλμα / 150 kv 12,65 ka 9,15 ka
Οι λόγοι των αντιστάσεων, όπως αυτοί δίνονται από το διαχειριστή του συστήματος μεταφοράς για τα επίπεδα τάσης του συστήματος μεταφοράς, περιλαμβάνονται στον Πίνακα 2. Πίνακας 2: Λόγοι αντιστάσεων για τα δίκτυα 150 kv. Λόγος αντιστάσεων δικτύου 3φ 1φ Min Max Min Max R(1) / X(1) 0,3624 0,2651 0,3145 0,2176 Z(0) / Z(1) 0,4657 0,4834 0,4426 0,4912 R(0) / X(0) 0,036 0,042 0,038 0,040 Στους πίνακες που ακολουθούν περιλαμβάνονται τα ονομαστικά στοιχεία για τις σύγχρονες γεννήτριες, τους επαγωγικούς κινητήρες καθώς και για τους ΜΣ ανύψωσης και υποβιβασμού. Πίνακας 3: Ονομαστικά στοιχεία σύγχρονης στροβιλογεννήτριας (Steam Turbine) Τάση ακροδεκτών 15 kv Σύγχρονη Αντίδραση x d 1,89 pu Φαινόμενη Ισχύς 110 ΜVA Σύγχρονη Μεταβατική Αντίδραση x d 0,18 pu Ενεργός Ισχύς Εξόδου Συντελεστής Ισχύος Λόγος διέγερσης V f-max / V f-rated 91,3 ΜW Σύγχρονη Υπομεταβατική Αντίδραση x d 0,83 Αντίδραση Ανάστροφου Συστήματος x(2) 1,3 Αντίδραση Ομοπολικού Συστήματος x(0) 0,09 pu 0,10 pu 0,13 pu R G 0 (υπολογίζεται 3φασικό ρεύμα 0 (no αυτόματα βραχυκύκλωσης στάσιμης compound σύμφωνα με το κατάστασης Ι kk excitation) πρότυπο IEC)
Πίνακας 4: Ονομαστικά στοιχεία σύγχρονης γεννήτριας μικρού υδροηλεκτρικού (HYDRO1). Τάση ακροδεκτών 20 kv Σύγχρονη Αντίδραση x d 1,85 pu Φαινόμενη Ισχύς 25 ΜVA Σύγχρονη Μεταβατική Αντίδραση x d 0,20 pu Ενεργός Ισχύς Εξόδου Συντελεστής Ισχύος Λόγος διέγερσης V f-max / V f-rated 22,25 ΜW Σύγχρονη Υπομεταβατική Αντίδραση x d 0,89 Αντίδραση Ανάστροφου Συστήματος x(2) 1,3 Αντίδραση Ομοπολικού Συστήματος x(0) 0,12 pu 0,22 pu 0,14 pu R G 0 (υπολογίζεται 3φασικό ρεύμα 0 (no αυτόματα βραχυκύκλωσης στάσιμης compound σύμφωνα με το κατάστασης Ι kk excitation) πρότυπο IEC) Πίνακας 5: Ονομαστικά στοιχεία σύγχρονης γεννήτριας μικρού υδροηλεκτρικού (HYDRO2). Τάση ακροδεκτών 6 kv Σύγχρονη Αντίδραση x d 1,95 pu Φαινόμενη Ισχύς 3 ΜVA Σύγχρονη Μεταβατική Αντίδραση x d 0,215 pu Ενεργός Ισχύς Εξόδου Συντελεστής Ισχύος Λόγος διέγερσης V f-max / V f-rated 2,7 ΜW Σύγχρονη Υπομεταβατική Αντίδραση x d 0,9 Αντίδραση Ανάστροφου Συστήματος x(2) 1,3 Αντίδραση Ομοπολικού Συστήματος x(0) 0,12 pu 0,234 pu 0,10 pu R G 0 (υπολογίζεται 3φασικό ρεύμα 0 (no αυτόματα βραχυκύκλωσης στάσιμης compound σύμφωνα με το κατάστασης Ι kk excitation) πρότυπο IEC)
Πίνακας 6: Ονομαστικά στοιχεία σύγχρονων γεννητριών ανεμογεννητριών (WG1-WG3). Τάση ακροδεκτών 0,69 kv Σύγχρονη Αντίδραση x d 1,52 pu Φαινόμενη Ισχύς 2,2 ΜVA Σύγχρονη Μεταβατική Αντίδραση x d 0,27 pu Ενεργός Ισχύς Εξόδου Συντελεστής Ισχύος Λόγος διέγερσης V f-max / V f-rated 2,046 ΜW Σύγχρονη Υπομεταβατική Αντίδραση x d 0,93 Αντίδραση Ανάστροφου Συστήματος x(2) 1,3 Αντίδραση Ομοπολικού Συστήματος x(0) 0,135 pu 0,165 pu 0,11 pu R G 0 (υπολογίζεται 3φασικό ρεύμα 0 (no αυτόματα βραχυκύκλωσης στάσιμης compound σύμφωνα με το κατάστασης Ι kk excitation) πρότυπο IEC) Πίνακας 7: Ονομαστικά στοιχεία σύγχρονης γεννήτριας μικροστροβίλου (MT1). Τάση ακροδεκτών 0,4 kv Σύγχρονη Αντίδραση x d 1,95 pu Φαινόμενη Ισχύς 0,15 ΜVA Σύγχρονη Μεταβατική Αντίδραση x d 0,14 pu Ενεργός Ισχύς Εξόδου Συντελεστής Ισχύος Λόγος διέγερσης V f-max / V f-rated 0,135 ΜW Σύγχρονη Υπομεταβατική Αντίδραση x d 0,9 Αντίδραση Ανάστροφου Συστήματος x(2) 1,3 Αντίδραση Ομοπολικού Συστήματος x(0) 0,08 pu 0,12 pu 0,11 pu R G 0 (υπολογίζεται 3φασικό ρεύμα 0 (no αυτόματα βραχυκύκλωσης στάσιμης compound σύμφωνα με το κατάστασης Ι kk excitation) πρότυπο IEC)
Πίνακας 8: Ονομαστικά στοιχεία ΜΣ ανύψωσης ΤF1. Ονομαστική τάση 150 / 15 kv Απώλειες Σιδήρου - P Fe 67,347 kw Συνδεσμολογία Yd5 Ρεύμα μαγνήτισης Io % 0,1225 Φαινόμενη Ισχύς 120 ΜVA On load tap changer όχι URr(1) 0,187 % Ukr(1) 14,55 % URr(0) 0 Ukr(0) 12,45 % Πίνακας 9: Ονομαστικά στοιχεία ΜΣ υποβιβασμού ΤF2 και TF3. Ονομαστική τάση 150 / 20 kv Απώλειες Σιδήρου - P Fe 78,575 kw Συνδεσμολογία Yy0 Ρεύμα μαγνήτισης Io % 0,1953 Φαινόμενη Ισχύς 180 ΜVA On load tap changer όχι URr(1) 0,2157 % Ukr(1) 15,23 % URr(0) 0 Ukr(0) 11 % Πίνακας 10: Ονομαστικά στοιχεία ΜΣ ανύψωσης ΤF4 TF6. Ονομαστική τάση 20 / 0,69 kv Απώλειες Σιδήρου - P Fe 3,2 kw Συνδεσμολογία Yd5 Ρεύμα μαγνήτισης Io % 0,12 Φαινόμενη Ισχύς 3,6 MVA On load tap changer όχι URr(1) 0,26 % Ukr(1) 6 % URr(0) 0,26 % Ukr(0) 6 % Πίνακας 11: Ονομαστικά στοιχεία ΜΣ υποβιβασμού ΤF7. Ονομαστική τάση 20 / 6 kv Απώλειες Σιδήρου - P Fe 9,5 kw Συνδεσμολογία Dy5 Ρεύμα μαγνήτισης Io % 0,178 Φαινόμενη Ισχύς 10 MVA On load tap changer όχι URr(1) 0,24 % Ukr(1) 8,55 % URr(0) 0,24 % Ukr(0) 8,55 %
Πίνακας 12: Ονομαστικά στοιχεία ΜΣ υποβιβασμού ΤF8. Ονομαστική τάση 20 / 0,4 kv Απώλειες Σιδήρου - P Fe 0,3 kw Συνδεσμολογία Dy5 Ρεύμα μαγνήτισης Io % 0,145 Φαινόμενη Ισχύς 0,6 MVA On load tap changer όχι URr(1) 0,16 % Ukr(1) 8,1 % URr(0) 0,16 % Ukr(0) 8,1 % Πίνακας 13: Ονομαστικά στοιχεία επαγωγικών κινητήρων ΜOTOR1 MOTOR3. Ονομαστική τάση 6 kv cosφ - εκκίνησης 0,23 Ισχύς εξόδου 1,4 MW ονομαστική ολίσθηση Λόγος ρεύματος εκκίνησης & λειτουργίας 5,6 cosφ υπό Ι a / I r ονομαστικό φορτίο 1,167 % 0,88 Λόγος ροπής εκκίνησης & λειτουργίας Μ a / Μ r Λόγος ροπής ανατροπής & λειτουργίας Μ k / Μ r 0,8 απόδοση υπό ονομαστικό φορτίο 2,3 αριθμός ζευγών πόλων 0,96 1 Πίνακας 14: Ονομαστικά στοιχεία επαγωγικών κινητήρων ΜOTOR4 MOTOR5. Ονομαστική τάση 0,4 kv cosφ - εκκίνησης 0,22 Ισχύς εξόδου 0,12 ΜW ονομαστική ολίσθηση Λόγος ρεύματος εκκίνησης & λειτουργίας 6,4 cosφ υπό Ι a / I r ονομαστικό φορτίο 0,7 % 0,83 Λόγος ροπής εκκίνησης & λειτουργίας Μ a / Μ r Λόγος ροπής ανατροπής & λειτουργίας Μ k / Μ r 1,25 απόδοση υπό ονομαστικό φορτίο 2,4 αριθμός ζευγών πόλων 0,91 1
Πίνακας 15: Ονομαστικά στοιχεία φορτίων LOAD1 και LOAD2. Φορτίο LOAD1 LOAD2 Ονομαστική τάση 6 kv 0,4 kv Ενεργός ισχύς 6 MW 0,085 MW Άεργος Ισχύς 2 MVar 0,06 MVar Πίνακας 16: Ονομαστικά στοιχεία καλωδίων CABLE1 και CABLE2. Μήκος Αντίσταση στο ορθό R(1) 0,0221 Ω/km Αντίδραση στο ορθό Χ(1) 0,172 Ω/km Χωρητικότητα στο ορθό C(1) 0,31 μf/km 3 km Αντίσταση στο ομοπολικό R(0) Αντίδραση στο ομοπολικό Χ(0) Χωρητικότητα στο ομοπολικό C(0) 0,122 Ω/km 0,05 Ω/km 0,3124 μf/km Ερωτήματα 1. Να υπολογιστεί η ροή φορτίου για το κύκλωμα με όλους τους διακόπτες κλειστούς θεωρώντας ότι όλες οι σύγχρονες γεννήτριες και οι ασύγχρονοι κινητήρες λειτουργούν στα ονομαστικά τους στοιχεία. Να εξηγηθούν τα αποτελέσματα. 2. Θεωρείστε ότι όλοι οι διακόπτες σύνδεσης είναι κλειστοί. Να υπολογιστούν τα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκύκλωσης (rms) στους ζυγούς Β1 και Β2. Τι παρατηρείτε; (Να απαντηθεί από τις ομάδες 1-5). 3. Θεωρείστε ότι όλοι οι διακόπτες σύνδεσης είναι κλειστοί. Να υπολογιστούν τα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκύκλωσης (rms) στους ζυγούς Β1 και Β3. Τι παρατηρείτε; (Να απαντηθεί από τις ομάδες 6-10). 4. Θεωρείστε ότι όλοι οι διακόπτες σύνδεσης είναι κλειστοί. Να υπολογιστούν τα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκύκλωσης
(rms) στους ζυγούς Β2 και Β4. Τι παρατηρείτε; (Να απαντηθεί από τις ομάδες 11-15). 5. Θεωρείστε ότι όλοι οι διακόπτες σύνδεσης είναι κλειστοί. Να υπολογιστούν τα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκύκλωσης (rms) στους ζυγούς Β3 και Β4. Τι παρατηρείτε; (Να απαντηθεί από τις ομάδες 16-20). 6. Θεωρείστε ότι όλοι οι διακόπτες σύνδεσης είναι κλειστοί. Να υπολογιστούν τα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκύκλωσης (rms) στους ζυγούς Β4 και Β5. Τι παρατηρείτε; (Να απαντηθεί από τις ομάδες 21-26). 7. Για το ζυγό Β1 να υπολογιστεί η συμβολή της γεννήτριας ST, του δικτύου της ΕΗ, καθώς και του άμεσα συνδεδεμένου ζυγού Β2 στα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκυκλώματος, θερμικά και μηχανικής καταπόνησης. Με δεδομένο ότι η γεννήτρια ST κάποιες φορές είναι συνδεδεμένη στο ζυγό Β1 και κάποιες όχι με βάση ποια τιμή ρεύματος θα υπολογιστεί η μέγιστη θερμική καταπόνηση, η μέγιστη μηχανική καταπόνηση και ο συντονισμός των μέσων προστασίας στο σημείο αυτό. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. (Να απαντηθεί από τις ομάδες 1-5). 8. Για το ζυγό Β2 να υπολογιστεί η συμβολή της γεννήτριας HYDRO1 καθώς και των άμεσα συνδεδεμένων ζυγών Β1, Β3 και Β5 στα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκυκλώματος, θερμικά και μηχανικής καταπόνησης. Με δεδομένο ότι η γεννήτρια HYDRO1 κάποιες φορές είναι συνδεδεμένη στο ζυγό Β2 και κάποιες όχι με βάση ποια τιμή ρεύματος θα υπολογιστεί η μέγιστη θερμική καταπόνηση, η μέγιστη μηχανική καταπόνηση και ο συντονισμός των μέσων προστασίας στο σημείο αυτό. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. (Να απαντηθεί από τις ομάδες 6-10). 9. Για το ζυγό Β3 να υπολογιστεί η συμβολή της κάθε ανεμογεννήτριας καθώς και των άμεσα συνδεδεμένων ζυγών Β2 και Β4 στα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκυκλώματος, θερμικά και μηχανικής καταπόνησης. Με δεδομένο ότι η γεννήτρια WG1 κάποιες φορές είναι συνδεδεμένη στο ζυγό Β3 και κάποιες όχι με βάση ποια τιμή ρεύματος θα υπολογιστεί η μέγιστη θερμική καταπόνηση, η μέγιστη μηχανική καταπόνηση
και ο συντονισμός των μέσων προστασίας στο σημείο αυτό. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. (Να απαντηθεί από τις ομάδες 11-15). 10. Για το ζυγό Β4 να υπολογιστεί η συμβολή της γεννήτριας HYDRO2 καθώς και του άμεσα συνδεδεμένου ζυγού Β3 στα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκυκλώματος, θερμικά και μηχανικής καταπόνησης. Με δεδομένο ότι ο ζυγός Β3 κάποιες φορές είναι συνδεδεμένος στο ζυγό Β4 και κάποιες όχι, με βάση ποια τιμή ρεύματος θα υπολογιστεί η μέγιστη θερμική καταπόνηση, η μέγιστη μηχανική καταπόνηση και ο συντονισμός των μέσων προστασίας στο σημείο αυτό. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Να προστεθούν διακόπτες όπου θεωρείται απαραίτητο. (Να απαντηθεί από τις ομάδες 16-20). 11. Για το ζυγό Β5 να υπολογιστεί η συμβολή της γεννήτριας ΜΤ1 καθώς και του άμεσα συνδεδεμένου ζυγού Β2 στα μέγιστα και ελάχιστα τριφασικά και μονοφασικά ρεύματα βραχυκυκλώματος, θερμικά και μηχανικής καταπόνησης. Με δεδομένο ότι ο ζυγός Β2 κάποιες φορές είναι συνδεδεμένος στο ζυγό Β5 και κάποιες όχι, με βάση ποια τιμή ρεύματος θα υπολογιστεί η μέγιστη θερμική καταπόνηση, η μέγιστη μηχανική καταπόνηση και ο συντονισμός των μέσων προστασίας στο σημείο αυτό. Να αιτιολογήσετε τις απαντήσεις σας. Να προστεθούν διακόπτες όπου θεωρείται απαραίτητο. (Να απαντηθεί από τις ομάδες 21-26).
Παρουσίαση αποτελεσμάτων: Θα παραδώσετε ένα αρχείο doc ή pdf με τις απαντήσεις στα παραπάνω ερωτήματα της 2ης εργασίας. Το αρχείο doc/pdf θα πρέπει να παραδοθεί και εκτυπωμένο στο γραφείο του Ανδρέα Χρυσοχού (Υπόγειο κτιρίου Εργαστήριο ΣΗΕ & ΥΤ 1η πόρτα αριστερά καθώς ανεβαίνετε τη μεταλλική σκάλα). Κάθε ομάδα θα στείλει με e-mail στη διεύθυνση kryonidi@auth.gr, georgekrd@yahoo.gr ένα συμπιεσμένο φάκελο (zip/rar) με ονομασία P02G01 για την ομάδα 1, P02G02 για την ομάδα 2 κ.ο.κ. (Ο τίτλος του e-mail να είναι «2η εργασία ΥΜΕΣ ομάδα 2»). Σε περίπτωση αδυναμίας αποστολής των αρχείων μέσω e-mail, η αποστολή θα γίνει μέσω dropbox. Τα αρχεία θα ανεβούν στο dropbox και κάθε ομάδα θα στέλνει e-mail με το link. Σε αυτό το συμπιεσμένο φάκελο θα περιέχονται τα αρχεία Neplan με τις προσομοιώσεις που πραγματοποιήσατε. Τα αρχεία θα έχουν συγκεκριμένη ονομασία, όπως αυτή του παραδείγματος που ακολουθεί: Το αρχείο P02G15Q2_3ph σημαίνει: P02: 2η εργασία του μαθήματος (είναι P02 για όλους σε αυτή την εργασία) G15: η ομάδα 15 δίνει το αρχείο (με βάση τη λίστα με τις ομάδες που υπάρχει στο ethmmy στις ανακοινώσεις). Q2: αποτελεί αρχείο Neplan του 2ου ερωτήματος 3ph: Το αρχείο αφορά 3φ βραχυκύκλωμα. Αντίστοιχα το 1φ συμβολίζεται με 1ph. Η ημερομηνία ηλεκτρονικής παράδοσης είναι αυστηρά μέχρι και την Πέμπτη 09/01/2014 στις 12 το βράδυ. Η αντίστοιχη ημερομηνία παράδοσης του εκτυπωμένου κειμένου είναι μέχρι την Παρασκευή 10/01/2014.