Εισαγωγή στη Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος 21 Νοεµβρίου, 2005 Ηλίας Κυριακίδης Λέκτορας ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΥΠΡΟΥ Τι είναι η Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος; ΗΜηχανικήΗλεκτρικήςΙσχύος(electric power engineering) είναι ένας τοµέας της Ηλεκτρολογικής Μηχανικής που ασχολείται µε θέµατα που έχουν σχέση µετηνπαραγωγή, µεταφορά και διανοµή ηλεκτρικής ενέργειας. ΗΜηχανικήΗλεκτρικήςΙσχύοςσυνεργάζεταιστενάµε κλάδους όπως Συστήµατα Ελέγχου, Ηλεκτρονικά, Μηχανικούς Υπολογιστών, Πληροφορική, Οικονοµικά, Φυσική, και Μαθηµατικά. 2005 Ηλίας Κυριακίδης, Τµήµα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήµιο Κύπρου Θέµατα Ηλεκτρικής Ισχύος Τα θέµατα µε τα οποία ασχολείται η Μηχανική Ηλεκτρικής Ισχύος δεν περιορίζονται µόνο στις ηλεκτρικές µηχανές, τις ηλεκτρικές συσκευές και τους µετασχηµατιστές. ΗΜηχανικήΗλεκτρικήςΙσχύοςασχολείταικαιµεθέµατα όπως: ανανεώσιµες πηγές ενέργειας ποιότητα ισχύος µοντελλοποίηση συστηµάτων ανάπτυξη λογισµικών πακέτων για προσοµοίωση συστηµάτων τον τοµέα της ηλεκτρονικής ισχύος (power electronics) µελέτη και κατασκευή συστηµάτων αδιάκοπης παροχής ηλεκτρικής ενέργειας (UPS) µε ερευνητικές και βιοµηχανικές δραστηριότητες που έχουν σχέση µε την ενέργεια και µε τη βελτίωση του τρόπου ζωής των ανθρώπων. Πού εργοδοτούνται οι Μηχανικοί Ηλεκτρικής Ισχύος; Κατασκευαστές ηλεκτρικού εξοπλισµού Εταιρείες παροχής ηλεκτρικής ενέργειας Συµβουλευτικούς οργανισµούς και επιχειρήσεις Ερευνητικούς οργανισµούς Παιδεία Σταθµούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας Χηµική βιοµηχανία Βιοµηχανία πετρελαίου Ανάπτυξη λογισµικών πακέτων Ρυθµιστική Αρχή Ενέργειας Τοµείς Μηχανικής Ηλεκτρικής Ισχύος Παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας Μεταφορά και διανοµή ηλεκτρικής ενέργειας Ηλεκτρονική ισχύος Ηλεκτρικές µηχανές Συστήµατα υψηλών τάσεων Λειτουργία και έλεγχος δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας Ποιότητα ισχύος Σύντοµη ιστορία της Μηχανικής Ηλεκτρικής Ισχύος Είναι ο πρώτος τοµέας της Ηλεκτρολογικής Μηχανικής. 1800-1819: Πρώτα πειράµατα µε συνεχές ρεύµα. Πρώτες κατασκευές µπαταριών (Alessandro Volta, Humphry Davy). 1820: Ανακάλυψη ότι το ηλεκτρικό ρεύµα µπορεί να µεταβάλει τη κατεύθυνση της πυξίδας (Hans Christian Örsted) 1831: Κατασκευή της πρώτης ηλεκτρικής γεννήτριας και απόδειξη ότι η µηχανική ενέργεια µπορεί να µετατραπεί σε ηλεκτρική (Michael Faraday). Αρχίζει η κούρσα για κατασκευή πιο πρακτικών γεννητριών. 1879: Ο Thomas Edison τελειοποίησε τον πυρακτωµένο λαµπτήρα (incandescent lamp), τους διακόπτες, τις ασφάλειες και τα καλώδια. 1882: Λειτούργησε ο πρώτος εµπορικός ηλεκτροπαραγωγός σταθµός από τον Thomas Edison (Pearl Street, lower Manhattan) (µε συνεχές ρεύµα). 1887: Θεωρία του εναλλασσόµενου ρεύµατος και ακολούθως εφαρµογή του συστήµατος σε αντικατάσταση του συστήµατος συνεχούς ρεύµατος. Στη συνέχεια παρατηρήθηκε ραγδαία ανάπτυξη της παραγωγής, µεταφοράς και διανοµής ηλεκτρικής ενέργειας, αύξηση της χρήσης ηλεκτρικού ρεύµατος, ραγδαία ανάπτυξη της βιοµηχανίας. Σήµερα, ο κλάδος αυτός συνεχίζει να αναπτύσσεται, επιλύει υπάρχοντα προβλήµατα και ασχολείται µε την τελευταία λέξη της τεχνολογίας. 1
Η ιστορία του ηλεκτρισµού στην Κύπρο 1903: Εγκατάσταση από την αποικιακή αγγλική κυβέρνηση µιας ηλεκτρογεννήτριας για τις ανάγκες της Αρµοστείας στη Λευκωσία και µιας για το Γενικό Νοσοκοµείο Λευκωσίας. 1912: Ιδρύεται εταιρεία ηλεκτρισµού στη Λεµεσό και εγκαθιδρύθηκε µηχανοστάσιο µε ηλεκτρογεννήτριες (Ηλεκτροφωτιστική Εταιρεία Λεµεσού) 1913: Ίδρυση Ηλεκτρικής Εταιρείας Λευκωσίας 1922-1927: Ίδρυση ηµοτικών Ηλεκτρικών Επιχειρήσεων στις άλλες πόλεις και σε µερικά αγροτικά κέντρα 1952: Ίδρυση Αρχής Ηλεκτρισµού Κύπρου (εγκαθίδρυση ηλεκτροπαραγωγού σταθµού εκέλειας (1953, 84 MW)) 1966-1976: Εγκαθίδρυση ηλεκτροπαραγωγού σταθµού Μονής (180 MW) 1982-1993: Εγκαθίδρυση ηλεκτροπαραγωγού σταθµού εκέλειας Β (360 MW), τέλος ωφέλιµης λειτουργίας σταθµού εκέλειας Α 1994: Εγκαθίδρυση ηλεκτροπαραγωγού σταθµού Βασιλικού (πρώτη φάση, 298 MW) Απλό δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας Τι είναι το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας; Είναι το µεγαλύτερο και πιο σύνθετο δυναµικό σύστηµα που κτίστηκε ποτέ από ανθρώπους Ηλεκτροπαραγωγός σταθµός Σύστηµα µεταφοράς 11 to 15.75 kv Μετασχηµατιστής ανύψωσης τάσης 66 ή 132 kv Υποσταθµός µεταφοράς Υποσταθµός διανοµής 11 kv 240-415 V Σύστηµα διανοµής Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας Μετασχηµατιστές Φορτίο Φορτίο Γεννήτριες ιακόπτες Ανανεώσιµες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) Renewable Energy Sources (RES) Αιολική ενέργεια (wind energy) Ηλιακή ενέργεια (solar energy) Γεωθερµική ενέργεια (geothermal energy) Υδροηλεκτρική ενέργεια (hydroelectric energy) Βιοµάζα (biomass) Παλιρροιακή ενέργεια (tidal energy) Συµβατικές Πηγές Ενέργειας Conventional Energy Sources Πετρέλαιο (oil) Κάρβουνο (coal) Φυσικό αέριο (natural gas) Πυρηνική ενέργεια (nuclear energy) 2
Παραγωγή ηλεκτρικού ρεύµατος Καµπύλη διαρκείας φορτίου MW Load 800 600 400 200 PEAK LOAD INTERMEDIATE LOAD BASE LOAD Πηγή: http://www.tva.gov/power/coalart.htm 0 6 12 18 24 t hrs Ηλεκτρικές µηχανές/γεννήτριες Ηλεκτρικές µηχανές/γεννήτριες ροµέας (rotor) µιας γεννήτριας 200 MW Στάτης (stator) Ηλεκτρικές µηχανές/γεννήτριες Ηλεκτρικές µηχανές/γεννήτριες Στάτης γεννήτριας 660 MW Εγκατάσταση δροµέα στον στάτη µιας γεννήτριας 3
ιακόπτες αποµόνωσης ιακόπτης αποµόνωσης σε µια φάση κυκλώµατος 500 kv Βραχυκύκλωµα σεµετασχηµατιστή Υποσταθµός µεταφοράς Μετασχηµατιστής Πρώην µετασχηµατιστής 4
Αιολικό πάρκο Συστοιχία πυκνωτών σε γραµµή διανοµής Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω καιρικών συνθηκών Συστοιχία παράλληλων πυκνωτών Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω καιρικών συνθηκών Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω καιρικών συνθηκών Ινδία: Αποκόπηκε η παροχή ηλεκτρισµού στο 70% του ινδικού κρατιδίου του Bihar (3/2/03) Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω καιρικών συνθηκών Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω ανθρωπίνων σφαλµάτων Πολλές φορές, δηµιουργούνται σφάλµατα στο δίκτυο λόγω: Μη σωστής χρήσης του εξοπλισµού Κακής ή µη ικανοποιητικής συντήρησης του εξοπλισµού Λανθασµένης ερµηνείας των παρούσων συνθηκών και λανθασµένων αποφάσεων Απειρίας/Μη ολοκληρωµένης εκπαίδευσης Αδιαφορίας Χρησιµοποίησης δεδοµένων που να µην ανταποκρίνονται πλήρως στα δεδοµένα του συστήµατος Ατυχηµάτων (π.χ. αυτοκίνητο σε πάσσαλο) Τα σφάλµατα αυτά µπορεί να οδηγήσουν σε δυσάρεστες καταστάσεις Συσκότιση (blackout) Απόρριψη φορτίων (load shedding) Θάνατο πολιτών (π.χ. λόγω εγκλωβισµού σε ανελκυστήρες) Αναστάτωση των επηρεαζόµενων πολιτών 5
Σφάλµατα λόγω µη ικανοποιητικής συντήρησης Σφάλµατα λόγω ατυχηµάτων Καθαρισµός/Ψαλιδισµός δέντρων (tree trimming) Σφάλµατα στο δίκτυο λόγω εξωτερικών παραγόντων Συσκότιση (Blackout) -- Είναι η απώλεια παροχής ηλεκτρικής ενέργειας σε µεγάλες περιοχές για εκτεταµένο χρονικό διάστηµα. -- εν συµβαίνει συχνά αλλά όταν συµβεί µπορεί να δηµιουργήσει χάος. -- εν µπορείναπροβλεφθείαλλάµπορεί να µειωθεί η πιθανότητα συσκότισης µε σωστό προγραµµατισµόκαιεπάρκειατουσυστήµατος παραγωγής, µεταφοράς και διανοµής. Συσκότιση στη Βόρειο Αµερική (14 Αυγούστου, 2003) Η ακολουθία των γεγονότων που οδήγησαν στη συσκότιση άρχισε στις 12:05 µ.µ. µε συνήθησφάλµατα στο δίκτυο (το πρώτο σφάλµα ήταναπώλειαµιας γεννήτριας). Μετά από µια σειρά ταλαντώσεων και διαδοχικών σφαλµάτων ολοκληρώθηκε η συσκότιση στις 4:13 µ.µ. Ηπαροχήαποκαταστάθηκεσεδύοµέρες στις πιο πολλές περιοχές ενώ σε µερικές άλλες σε µια εβδοµάδα. Επηρεάστηκαν οκτώ πολιτείες στις ΗΠΑ και µια στον Καναδά (Ontario) Πενήντα εκατοµµύρια άνθρωποι έµειναν χωρίς ηλεκτρικό ρεύµα. 531 γεννήτριεςτέθηκανεκτόςλειτουργίας. 6
Υπολογισµός ροής φορτίου σε ένα ηλεκτρικό δίκτυο ΤΟ ΜΕΛΛΟΝ ΗΜηχανικήηλεκτρικήςισχύοςείναιέναςτοµέας που αναδιοργανώνεται για να απευθυνθεί στα νέα προβλήµατα και προκλήσεις της εποχής µας. ΠΟΙΕΣ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ; Πιο µεγάλο και πολύπλοκο ιασυνδεδεµένα δίκτυα µεταξύ δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας. µεγάλων γεωγραφικών περιοχών. Κύρια θέµατα: -- Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας -- Ποιότητα ισχύος -- Ασφάλεια, αξιοπιστία -- Αποδοτικότητα Σε περίπτωση σοβαρού σφάλµατος, ο κίνδυνος συσκότισης είναι πολύ µεγάλος λόγω της λειτουργίας του συστήµατος στα άκρα των δυνατοτήτων του. Ασφάλεια και αξιοπιστία του δικτύου: Ανάγκη για εύρεση καλύτερων µηχανισµών προστασίας του δικτύου. 7
ΠΟΙΕΣ ΕΙΝΑΙ ΟΙ ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΣΤΟΝ ΤΟΜΕΑ ΤΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΙΣΧΥΟΣ; Ανανεώσιµες πηγές ενέργειας Μπορούµε να παραγάγουµε ενέργειααπόαπεµε κάποιο λογικό έστω κόστος; Πάντως µας πιέζει ο χρόνος! Αποθέµατα: Πετρέλαιο: ~ 40 χρόνια Φυσικό αέριο: ~ 60 χρόνια Κάρβουνο: ~ 220 χρόνια (που όµως θα µειωθεί όσο στρεφόµαστε περισσότερο προς αυτό λόγω της µείωσης των άλλων συµβατικών πηγών) Ποιότητα ισχύος Μπορούµε ναδιατηρήσουµετηνπαρεχόµενητάσηστηνονοµαστική της τιµή καιστηνονοµαστική της συχνότητα χωρίς παραµορφώσεις της κυµατοµορφής της, παρόλα τα συνεχώς προστιθέµενα παράξενα φορτία ; 8