Kompenzacija jalove snage Industrijski pogoni i velike ustanove (npr. fakulteti, bolnice) čija namjena uvjetuje potrebu za velikim brojem induktivnih potrošača, crpe iz distribucijske mreže jalovu snagu. Budući jalova snaga nepotrebno opterećuje mrežu, HEP naplaćuje jalovu energiju zabilježenu na mjernom uređaju ukoliko je njezina vrijednost veća od 1/3 utrošene radne energije, što odgovara cos φ =0,95. Kako bi se spriječilo uzimanje jalove snage iz mreže, a time i bespotrebno plaćanje, u pogone takve vrste instaliraju se uređaji koji će nadomjestiti potrebnu jalovu snagu. Ekonomičnost takvih uređaja je velika, investicija uložena u uređaj za kompenzaciju jalove snage u načelu se vraća u prvoj godini eksploatacije. Jalova snaga Snaga uzeta iz mreže jednaka je umnošku napona i struje, što vrijedi za omske potrošače kod periodički promjenjivih veličina sinusnog oblika (žarulje, grijači). U ovom slučaju, struja vremenski ne kasni za naponom, odnosno, nema faznog pomaka φ pa struja i napon prolaze kroz nulu u isto vrijeme. Budući je kod ovakve vrste potrošača snaga pretvorena, koristimo termin radna, tj. djelatna snaga. Potrebna energija za nastanak induktivnih polja ne može se pretvoriti u radnu (djelatnu) snagu, stoga snagu potrebnu za nastanak magnetskih polja zovemo jalova snaga. Jalova struja potrebna je za rad induktivnih potrošača (motori, transformatori) čiji induktivni otpor uzrokuje fazni pomak za kut φ, odnosno, vremensko kašnjenje struje za naponom u prolasku kroz nulu. Budući da je pri prijenosu i razdiobi električne energije jalovi dio beskoristan i nepotrebno opterećuje mrežu, treba ga održavati na najnižim mogućim vrijednostima. U tu svrhu koristimo uređaj za kompenzaciju jalove snage. Uređaj za kompenzaciju jalove snage sprječava prijenos jalove snage mrežom, odnosno, stvara jalovu snagu potrebnu za rad induktivnih potrošača u neposrednoj blizini. Kako kod kondenzatora (kapacitivni potrošači) jalova struja prethodi naponu, udjeli kapaciviteta i induktiviteta se međusobno izjednačavaju i tu pojavu koristimo za kompenzaciju jalove snage u mreži. Drugim riječima, jalova snaga potrebna za rad induktivnih potrošača neće biti uzeta iz mreže, već iz uređaja za kompenzaciju jalove snage. Pritom treba osigurati da vrijednosti električnih i magnetskih polja (kapacitet i induktivitet) budu istih vrijednosti, ali suprotnih predznaka. To možemo postići: fiksnim kompenzacijama (pojedinačnim i grupnim) automatskim kompenzacijama Kod fiksnih kompenzacija, pojedinačnih ili grupnih, mora se osigurati da kondenzatorska baterija bude uključena u vrijeme kada je uključen potrošač ili grupa potrošača, kako ne bi došlo do prekompenziranja. Ovakva vrsta kompenzacije jalove snage primjenjiva je kod manjeg broja jačih induktivnih tereta.
U slučaju kada postoji veliki broj induktivnih potrošača, manjih snaga, sa čestim uklopima i isklopima, primjena fiksnih kompenzacija nije moguća. U tom slučaju koriste se automatski uređaji za kompenzaciju jalove snage. Automatski uređaj jalove snage opremljen je mikroprocesorskim regulatorom koji na osnovi podataka iz mreže uklapa i isklapa određene kondenzatorske grupe, te na taj način održava faktor snage (cos φ) u granicama normale (što iznosi od 0,95-1 induktivno). Vrijednost cos φ =0,95-1 induktivno osigurava da potrošnja jalove energije ne prelazi 1/3 utrošene radne energije (što HEP ne naplaćuje). Dakle, prilikom odabira tipa kompenzacije, moramo biti upoznati sa više čimbenika kako bi odabir kompenzacije bio pravilan. Važno je reći da u NN i SN mrežama, osim struja standardne frekvencije 50 Hz, dolazi do pojave struja viših harmonika. Pojava viših harmonika u mreži ovisi o više faktora i teško je predvidjeti njihovu pojavu. Najčešće, prisustvo viših harmonika utvrdimo tek kada oni uzrokuju ne mala oštećenja i štete na električnim uređajima i uređajima za kompenzaciju jalove snage. Ukoliko postoji sumnja u mogućnost pojave struja viših harmonika u mreži, potrebno je odabrati uređaj za kompenzaciju jalove snage koji u sebi sadrži antirezonantne filterske prigušnice. Prekomjerno preuzeta jalova energija U skladu sa Tarifnim sustavom za distribuciju električne energije (NN 143/206 i 26/2010) HEP - Operator distribucijskog sustava d.o.o. naplaćuje prekomjerno preuzetu jalovu energiju iz mreže. Do sada naplata se odnosila samo na prekomjerno preuzetu induktivnu jalovu energiju, od 01.01.2011. godine naplaćivati će se prekomjerno preuzeta jalova energija u cjelokupnim količinama, dakle induktivna i kapacitivna jalova energija zajedno. Prekomjerno preuzeta jalova energija (kvarh) je pozitivna razlika između stvarno preuzete jalove energije i jalove energije koja odgovara faktoru snage cos φ = 0.95, odnosno to je preuzeta jalova energija koja prelazi 33% preuzete radne energije. Ugradnjom uređaja za automatsku kompenzaciju jalove energije iznos računa za prekomjerno preuzetu jalovu energiju svodi se na 0.00 Kn. Jalovu energiju očitavaju mjerni elektronički uređaji (digitalna brojila), u novije vrijeme to su uređaji koji očitavaju kapacitivnu i induktivnu jalovu energiju. Do 01.01.2011. godine naplaćivala se samo prekomjerno preuzeta induktivna jalova energija, dakle jalova energija koju su preuzeli induktivni potrošači (npr. motori, transformatori, prigušnice) i to ako je preuzeto jalove energije preko 33% utrošene radne energije što odgovara faktoru snage cos φ=0.95. Ukoliko je faktor snage cos φ=1 preuzeta jalova energija iznosi 0% utrošene radne energije.
Od 01.01.2011. godine naplaćuje se prekomjerno preuzeta jalova energija u cjelokupnim količinama, dakle jalova energija koju su preuzeli induktivni potrošači (npr. motori, transformatori i prigušnice) i jalova energija koju su uzrokovali nekvalitetne kompenzacije jalove snage (prekompenzirana mreža). Zbroj induktivne i kapacitivne jalove energije znatno će prijeći 33% utrošene radne energije odnosno vrlo je vjerojatno da će u nekim slučajevima biti prekomjerno preuzeta jalova energija veća od radne energije što će osjetno povećeti račune. Potrošači i izvori jalove snage Potrebe za jalovom snagom javljaju se iz dva razloga: radi jalovog opterećenja koje čine sami potrošači, te radi jalovog opterećenja uzrokovanog elementima elektroenergetskog sustava. Najizrazitiji potrošači jalove snage su asinkroni elektromotori i uređaji energetske elektronike (najčešće upravljivi ispravljači i frekvencijski pretvarači). Nije za zanemariti niti potrebu transformatora za jalovom snagom. U grupu potrošača s izrazito lošim faktorom snage spadaju rasvjetna tijela s izbojem u plinu. Najveći izvori jalove snage u elektroenergetskom sustavu su sinkroni generatori i kondenzatorske baterije. Kompenzacijom jalove snage mreža se rasterećuje od tokova jalovih snaga, čime se smanjuju prividna opterećenja elemenata mreže (generatora, transformatora i vodova). Posljedica toga su poboljšane naponske prilike, te smanjeni gubici. Osim toga, smanjenjem opterećenja elemenata mreže ne samo što se izbjegava njihovo preopterećenje, već se i osigurava rezerva za dodatni porast opterećenja. Iz istog se razloga generatori mogu opteretiti dopunskom djelatnom snagom, ukoliko im to dopušta snaga turbine. Za postizanje maksimalnih efekata kompenzacije bitno je slijediti princip da se uređaji za kompenzaciju ugrađuju što bliže mjestu potrošnje, dakle kod potrošača. Najšire primjenjivani uređaji za kompenzaciju jalove snage su kondenzatorske baterije. Prilikom projektiranja kondenzatorskih postrojenja potrebno je redovito voditi računa o specifičnostima koje se javljaju prilikom njihovog priključka na mrežu. Ovdje su navodene samo neke osnovne: kondenzatorska baterija povećava udarnu i početnu struju kratkog spoja i to ovisno o količini energije sadržane u bateriji u trenutku kvara; kondenzatorska baterija priključena na mrežu mijenja ekvivalentnu impedanciju mreže, pa u nekim slučajevima postoji mogućnost pojave rezonancije i ferorezonancije;
pojava viših harmonika u mreži dodatno opterećuje kondenzatorsku bateriju; struje uklapanja, posebno ako se radi o paralelnom uklapanju baterija (uklapanje razdijeljene kondenzatorske baterije) su visoke frekvencije i dostižu vrlo veliku vrijednost; sklopne operacije s kondenzatorskim baterijama postavljaju posebne zahtjeve na prekidače, jer postoji mogućnost stvaranja visokih povratnih napona; snaga baterije se mijenja s kvadratom napona. Kondenzatorske baterije One se koriste se u mrežama niskog, srednjeg i visokog napona, a snage se kreću od nekoliko desetaka ili stotina VAr-a do nekoliko MVAr-a. Proizvedena jalova snaga u kondenzatorskim baterijama proporcionalna je kvadratu priključenog napona. Kondenzatorske baterije imaju spor odziv na dinamičke pojave u sustavu, no u gospodarstvenom pogledu imaju velike prednosti glede drugih sredstava za kompenzaciju. Niski investicijski troškovi, niski troškovi održavanja, mala izloženost kvarovima, te jednostavna ugradnja za relativno kratko vrijeme čini ih prikladnim za široku primjenu u elektroenergetskom sustavu. Niskonaponske kondenzatorske baterije (cilindrično kućište) Niskonaponske kondenzatorske baterije (četvrtasto kućište)
Visokonaponske kondenzatorske baterije Potrebna snaga za kompenzaciju Potrebna snaga za kompenzaciju određuje se na temelju postojećeg i željenog faktora snage:
Načini kompenzacije Pojedinačna kompenzacija Pojedinačna kompenzacija sastoji se u tome da se svaki potrošač (npr. asinkroni motor) kompenzira priključivanjem kondenzatora određenog iznosa neposredno na njegove stezaljke ili u njegovoj neposrednoj blizini. Prednost ovog načina kompenzacije je rasterećivanje čitavog dovoda od prijenosa jalove snage. Nedostatak ovog načina kompenzacije je ta da je nešto skuplja, jer se ugrađuju manji kondenzatori koji ne mogu poslužiti za kompenzaciju nekog drugog potrošača kad je njima pripadajući potrošač isključen. Približna snaga kondenzatora koji se priključuje na motor može se izračunati pomoću izraza: Gdje je I 0 struja asinkronog motora u praznim hodu. Grupna kompenzacija Grupna kompenzacija je način kompenzacije koji omogućava da isti kondenzator, djelomično ili potpuno, ovisno o faktoru istovremenosti, kompenzira sad jedan sad drugi potrošač. Ovakva kompenzacija je jeftinija u odnosu na pojedinačnu, tim više ako je faktor istodobnosti znatno manji od 1. Nedostatak je taj, da dovodi od mjesta kompenzacije do potrošača nisu rasterećeni od jalovih snaga. Ugradnjom automatike se može, uz uključivanje i isključivanje pojedinih kondenzatorskih jedinica, dobiti bolja kompenzacija na razini postrojenja.
Ako se potrošači pojedinačno uključuju, tada mora također i kondenzator sadržavati sklopni uređaj (na primjer sklopnik), koji se uključuje samo onda kada su svi potrošači u pogonu ili se instalira regulirani uređaj za kompenzaciju. Jalova struja i gubici na ovaj se način smanjuju samo u razdjelnim vodovima a ne u vodovima između razdjelnika i potrošača. Iz ekonomičnih razloga često se veća rasvjetna postrojenja kompenziraju u grupama. Centralna kompenzacija Pogoni s promjenljivim potrebama jalove snage ne dopuštaju čvrstu kompenzaciju, obzirom da može doći do neekonomične potkompenzacije ili opasne prekompenzacije. Potrebna snaga kondenzatora mora se dakle prilagoditi promjenljivim potrebama jalove snage. Ovdje su posebno pogodna centralno smještena kompenzacijska postrojenja. Centralna kompenzacija je ona kod koje je cijela snaga kompenzacije smještena na jednom mjestu, to jest centralno i to u pravilu na sekundarnoj strani transformatora preko kojih se isporučuje energija. Potrebna jalova snaga kondenzatora je sada, gledajući postrojenje, najmanja jer se uzima faktor istodobnosti cijelog postrojenja. Veliki nedostatak je taj da je cijelo (industrijsko) postrojenje opterećeno velikim tokovima jalovih snaga. Centralna kompenzacija Regulacijske jedinice sadrže, osim energetskog dijela sa sklopnim uređajima i kondenzatorima, regulator jalove snage, koji na mjestu napajanja mjeri jalovu snagu. Kod odstupanja izmjerene od zadane vrijednosti faktora snage on prema potrebi uključuje ili isključuje kondenzatore stupnjevito.
Mješovita kompenzacija Mješovita kompenzacija je kombinacija prethodno opisanih vrsta kompenzacija i najčešće se koristi u industrijskim postrojenjima ili velikim ustanovama. Jedan dio jalove energije se kompenzira centralno na niženaponskoj strani transformatora 35/6,3 kv, najčešće uz primjenu regulirane baterije. Izdvojeni motori, koji se napajaju preko duljih kabela najčešće se pojedinačno kompenziraju. Isto tako, može se kompenzirati potrebna jalova snaga svakog transformatora 35/6,3 kv priključkom kondenzatorske baterije u transformatorsko polje. Grupna kompenzacija se primjenjuje za grupu motora koji su priključeni na pojedinim podrazdjelnicima. Ova kompenzacija se također primijenjuje i za fluorescentnu rasvjetu pojedinih hala.
Kondenzatorski sklopnici Sklopnik za sklapanje kondenzatorskih baterija sa ili bez prigušnica Shema spoja s otpornicima za brzo pražnjenje kondenzatora
Filtarske prigušnice za prigušenu kompenzaciju Djelovanje Ograničenje udarne struje prilikom uklopa baterije. Ograničenje rezonancije i zaštita kondenzatorskih baterija od preopterečenja nastalog zbog viših harmonika. Sprečavanje gubitka signala daljinskog upravljanja (MTU). Pomicanje rezonancije na frekvencije viših harmonika. Filtarske prigušnice ili Shema spoja prigušnice i kondenzatorske baterije
Regulator jalove snage Mikroprocesor regulatora registrira napon i posredstvom strujnog transformatora struju trošila cijelog pogona, te ih koristi za računanje odnosa između radne i jalove snage u energetskom sustavu. Regulator radi u 4 kvadrantnom modu. U početnoj fazi provjeravaju se okretno polje i spojevi transformatora uklapanjem i isklapanjem pojedinih stupnjeva. Potrebna snaga kompenzacije za postizanje traženog cos φ stalno se izračunava. Sklapanje stupnjeva slijedi ciljano u skladu s traženom snagom kompenzacije, ukoliko je razlika snage veća od 70% snage najmanjeg stupnja (snaga stupnjeva je programirana, ručno uklopljeni stupnjevi se izuzimaju iz računa optimiranja). Jednaki stupnjevi se kružno sklapaju. Optimalna snaga kompenzacije zahtjeva nekoliko sklapanja. I za velika postrojenja može se postići precizno reguliranje s nekoliko sklapanja. Nije potrebno voditi računa o odnosu stupnjeva. Nakon dostizanja potrebne snage kompenzacije daljnja sklapanja su blokirana za programirano vrijeme. Ovo vrijeme se dinamički povećava za vrijeme malog tereta. Priključeni stupnjevi upravljani tiristorima odmah se sklapaju bez zatezanja. Za spriječavanje oscilirajućih sklapanja može se produžiti zatezanje isklapanja do 150% snage najmanjeg stupnja. Programirane vrijednosti su, kao i kod numeričkih zaštitnih uređaja, memorirane u EPROM u pa ostaju nepromijenjene i u slučaju nestanka napona. Mjerenjem vlastite struje pomoću strujnog transformatora x/1a u dovodu kompenzacijskog postrojenja nadzire se snaga, struja i viši harmonici struje i napona. U slučaju kvara pojedinog stupnja ili povišene struje viših harmonika javit će se signal kvara i po potrebi isklapanje stupnjeva. Shema spoja regulatora jalove snage
Prednja ploča regulatora jalove snage Priključci regulatora jalove snage Strujni mjerni transformator 100/5 A
Izbor najpovoljnije vrste kompenzacije Prilikom donošenja odluke, da li će se pojedina trošila najpovoljnije kompenzirati s kondenzatorskim fiksnim stupnjem ili centralnom regulacijskom jedinicom, treba razmotriti gospodarske i tehničke aspekte postrojenja. Pojedinačno je isplativo kompenzirati veća trošila koja su u konstantnom radu i bez većih promjena opterećenja. S obzirom na zahtjeve distribucije da prosječni faktor snage kod potrošača bude izme 0,95 induktivno i 0,95 kapacitivno, da kompenzacijski uređaji ne prigušuju MTU signale, kao i svakim danom sve veće prisustvo viših harmonika u mreži, treba odabrati automatski regulirani uređaj za kompenzaciju, adekvatne izvedbe. Smanjenje struje i strujnih toplinskih gubitaka uslijed ugradnje kondenzatora Iz gornje tablice vidljiva je korist ugradnje kompenzacije npr. na kraju duljeg priključnog voda. Optimalnom kompenzacijom može se rasteretiti kabel, kao i značajno smanjiti pad napona u razdjelnoj mreži.
Primjer proračuna potrebne kompenzacije (prema www.elteh.net) Kada izračunate potrebnu snagu kompenzacije (Q) odaberite prvi veći uređaj za kompenzaciju iz dolje priložene tablice jednog od proizvođeča kompenzacijskih uređaja. Neprigušeni kompenzacijski uređaji "ERG" kvar Broj i snaga stupnjeva Tip Dimenzije (mm) VxŠxD 15 5+5+5 QANS 015 20 5+5+10 QANS 020 25 5+10+10 QANS 025 30 5+10+15 QANS 030 40 10+10+20 QANS 040 50 10+20+20 QANS 050 62,5 12,5+25+25 QANM 062 75 2x12,5+2x25 QANM 075 100 2x12,5+25+50 QANM 100 125 5x25 QANM 125 150 25+25+50+50 QANM 150 175 25+25+50+50 QANL 175 200 2x25+3x50 QANL 200 250 2x25+4x50 QANL 250 300 2x25+5x50 QANL 300 350 2x25+6x50 QANL 350 400 2x25+7x50 QANL 400 450 2x25+8x50 QANL 450 500 10x50 QANL 500 600x500x300 1100x600x350 2100x600x600
Presjek priključnog kabela i nazivna struja osigurača za automatske kompenzacijske uređaje. Nazivna snaga kvar Nazivna struja A Osigurač po fazi A Presjek kabela mm² 15 22 50 10 20 29 50 10 25 36 63 16 30 43 80 25 35 51 80 25 40 58 100 35 45 65 100 35 50 72 125 35 60 87 160 70 70 101 160 70 75 108 160 70 80 115 200 95 100 144 250 120 125 180 300 150 150 217 355 2x70 160 231 355 2x70 175 253 400 2x95 200 289 500 2x120 250 361 630 2x150 300 433 2x355 2x185 350 505 2x400 4x95 400 577 2x500 4x120 450 650 2x630 4x150 500 722 2x630 4x150
Primjer primjene centralne kompenzacije u industrijskom postrojenju Pojednostavljena jednopolna shema industrijske mreže 110/6,3kV u Belišću d.d. Kompenzacijsko postrojenje U jednoj kompenzacijskoj ćeliji (nerazdijeljena kondenzatorska baterija) smješteno je ukupno dvanaest kondenzatorskih jedinica i tri udarne prigušnice. Shema spoja kondenzatorskih jedinica u kompenzacijskoj ćeliji 2AL 28
Spoj kompenzacijskih ćelija s rasklopnim postrojenjem 2AL ostvaren je kabelom 3 185mm 2, duljine 150 m. Uklapanje i isklapanje kompenzacijskih ćelija obavlja se malouljnim prekidačem. Opći tehnički podaci kondenzatorskih jedinica u kompenzacijskom postrojenju 6,3 kv su: tip: AF 230/4501 WR proizvođač: AEG nazivni napon: 4,5kV nazivna frekvencija: 50Hz nazivna struja: 51,2A trajna struja: 66A nazivni kapacitet: 36,2µF nazivna snaga: 230kVAr Uklapanje kondenzatorskih baterija Valni oblici struja kompenzacijske ćelije 2AL 28
Harmonički članovi u struji uklapanja kompenzacijske ćelije 2AL 28 Valni oblici napona kompenzacijske ćelije 2AL 28 Prilikom uklapanja kondenzatorske baterije (nerazdijeljene i razdijeljene) strujno-naponske prilike ovise o iznosu narinutog napona u trenutku uklapanja. Što je taj iznos veći to je i nastupajuće prijelazno stanje nepovoljnije. Ono je kod nerazdijeljene kondenzatorske baterije praćeno pojavom velike struje. Uklapanje razdijeljene kondenzatorske baterije je u pogledu strujnog naprezanja daleko neugodnije od uklapanja nerazdijeljene kondenzatorske baterije. Ono je praćeno nastajanjem struje izjednačenja između priključenog dijela kondenzatorske baterije i novouključenog stupnja. Pojava struje izjednačenja predstavlja najkritičniju fazu prijelaznog procesa, jer se ista manifestira u nastajanju strujnih udara velike amplitude i visoke frekvencije, posljedica čega su mehanička naprezanja.
Primjer izvedbe kompenzacije jalove snage Sklopnici za uključivanje pojedinih kondenzatorskih baterija Sklopnici i kondenzatorske baterije