1 Odrzavanje Napona u Mrezi

1

ANALIZA

ELEKTROENERGETSKOG

SUSTAVA

1. ODRŽAVANJE NAPONA U MREŽI

Prof. dr. sc. Lajos JÓZSA

Sveučilište Josipa Jurja Strossmayera u Osijeku

Elektrotehnički fakultet

2

Sadržaj

1. ODRŽAVANJE NAPONA U MREŽI

1.1 Nazivni napon i odstupanja od nazivnog napona

1.2 Vremenski tok promjene napona

1.3 Pad napona

1.4 Mjere za održavanje napona u mreži

1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona

1.6 Ispravni režim napona

1.7 Održavanje ispravnog režima napona

1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže

1.9 Smanjenje jalove snage u mreži

1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage

3

1.1 Nazivni napon i odstupanja od nazivnog napona

• Nazivni napon je onaj napon, za koji je određeni element mreže konstruiran i građen.

• Nazivni napon, u načelu, osigurava optimalne uvjete rada elementa mreže.

• U pogonu se zahtijeva, da u svim točkama elektroenergetskog sustava, od stezaljki gene-

ratora do krajnjeg trošila, napon mora biti što bliži nazivnom naponu.

• Tijekom vremena dolazi do promjene napona, pri čemu se radi o dva tipična slučaja:

a) Polagane, spore promjene napona. Ove mogu biti:

- predvidive (ako su ove promjene uvjetovane predvidivim promjenama opterećenja)

- nepredvidive (ako dođe do poremećaja regulacije napona u cijeloj mreži ili u njenom

većem dijelu)

b) Nagle promjene napona. Do njih dolazi zbog naglih promjena opterećenja:

- na strani potrošača: uključivanje i isključivanje trošila velike snage, pokretanje velikih

motora, pogon trošila s promjenjivim opterećenjem, kratki spojevi u razdjelnoj mreži i

sl.

- na strani mreže: kratki spojevi, ispad generatora značajne snage, neuredna sinkroniza-

cija generatora, uključivanje i isključivanje kondenzatorskih baterija i prigušnica, uklju-

čivanje i isključivanje jako opterećenih vodova i sl.

Ovisno o uzroku smetnje, nagle promjene napona mogu biti:

- rijetke

- učestale s određenom periodičnošću (tzv. flickeri)

4

1.2 Vremenski tok promjene napona (1)

A - linija nazivnog napona (Un)

B - krivulja napona (u(t))

C - linija srednjeg napona (Usred)

a - spora promjena napona

b - pojedinačna nagla promjena napona

c - učestala promjena napona

Umax - najviši (linijski) napon tijekom

promatranog razdoblja

Umin - najniži (linijski) napon tijekom

promatranog razdoblja

ΔUp - apsolutna nagla promjena napona

ΔUf - maksimalna apsolutna učestala

promjena napona tijekom Tf

Tf - trajanje pojave učestalih promjena

napona

5

1.2 Vremenski tok promjene napona (2)

Srednji napon Usred može se definirati na više načina:

• Definicija na temelju Umax i Umin, ako nije poznata krivulja napona:

' max min

2sred

U UU V

• Definicija kao aritmetički srednji napon kroz razdoblje promatranja T = t2 – t1, ako je poz-

nata krivulja napona:

2

1

1t

sred

t

U u t dt VT

• Srednji napon u postocima nazivnog napona:

% 100sredsred

n

UU

U

• Odstupanje srednjeg napona od nazivnog u postocima:

% 100sred nsred

n

U UU

U

6

• Zbog toka struje, u impedanciji voda (sa zanemarenim poprečnim granama) dola-

zi do pada napona.

I

1V 2V

I

1V

2V

V

uzdV

popV

Impedancija voda: jXRZ

Struja: p qI I jI

Kompleksni pad napona:

p q

p q p q uzd pop

V IZ I jI R jX

I R I X j I X I R V j V

• Kompleksni pad napona sastoji se od realnog, odnosno uzdužnog (Vuzd) i ima-

ginarnog, odnosno poprečnog (Vpop) dijela.

• Kako je u visokonaponskim mrežama reaktancija znatno veća od djelatnog otpo-

ra, u uzdužnom padu napona prevladava komponenta IqX (stvorena tokom jalove

struje u reaktanciji voda), a u poprečnom padu napona komponenta IpX (stvore-

na tokom djelatne struje u reaktanciji voda).

• U srednjonaponskim mrežama X i R su veličine istog reda, pa će u uzdužnom i

poprečnom padu napona imati znatni udjel sve komponente.

1.3 Pad napona

qI pI

RI

jXI

Z

7

1.4 Mjere za održavanje napona u mreži

• Pod pojmom “održavanja napona” podrazumijevaju se sve mjere koje se poduzi-

maju u svrhu kompenzacije promjene napona u mreži.

• Jedan dio tih mjera koji se samo ograničava na probleme u svezi s iznosom na-

pona statičke je prirode i striktno uzevši ne spada u problematiku regulacije, te

se može nazvati “održavanjem režima napona”.

• U zamkastim mrežama kakve su danas u pogonu, provodi se “regulacija napo-

na u zatvorenoj petlji”, što je dinamički proces, pri čemu se vodi računa i o kuto-

vima između napona, dakle i o faznim kutovima napona pojedinih čvorova.

• U tehničkom žargonu, međutim, i u jednom i u drugom slučaju često se govori o

“regulaciji napona”.

8

1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (1) • Uzdužna regulacija napona može se primijeniti i u otvorenoj i u zatvorenoj mreži, dok pop-

rečna regulacija ima smisla samo u zatvorenoj mreži.

9

1.5 Uzdužna i poprečna regulacija napona (2)

Uzdužna regulacija napona:

• Kod uzdužne regulacije radi se o promjeni iznosa napona, odnosno o promjeni uzdužne

komponente pada napona.

• Do promjene napona po iznosu dolazi zbog uzdužnih padova napona u mreži, i to pretežno

zbog jalove (induktivne) komponente struje koja teče u impedancijama grana (a u mreža-

ma za prijenos impedancije se pretežno sastoje od reaktancija).

• Postavljanjem uređaja za regulaciju napona može se namjerno utjecati na iznos napona i

tako vršiti njegova uzdužna regulacija (sl. a i b).

Poprečna regulacija napona:

• Kod poprečne regulacije napona radi se o promjeni faznog kuta napona, odnosno o pro-

mjeni poprečne komponente pada napona.

• Do promjene napona u poprečnom smjeru dolazi zbog padova napona izazvanih pretežno

djelatnom komponentom struje u reaktancijama pojedinih grana mreže.

• I ovdje se može govoriti o namjernom utjecanju na poprečnu komponentu napona, dakle

može se vršiti poprečna regulacija napona (sl. c).

10


Uzdužna i poprečna regulacija napona kod otvorenih mreža:

• Kod otvorenih (zrakastih) mreža ima smisla jedino uzdužna regulacija napona. To se radi

zato, da se prevelika odstupanja od nazivne vrijednosti (koja nastaju zbog velikih padova

napona) smanje i dovedu u prihvatljive granice (sl. a), naime za pojedina trošila i za pojedi-

ne elemente mreže nepovoljno je ako rade s naponom koji znatno odstupa od nazivnog.

Dodatni napon je u fazi s osnovnim naponom (sl. a).

• Poprečna regulacija napona u otvorenim mrežama nema nikakve svrhe, jer zakretanje napo-

na po kutu nema utjecaja na rad elemenata mreže, odnosno trošila.

Uzdužna i poprečna regulacija napona kod zatvorenih mreža:

• Kod uzdužne regulacije u zatvorenim (zamkastim) mrežama dodatni napon je u fazi s os-

novnim naponom. Taj će dodatni napon u zamki izazvati struju, koja će (zbog toga što se

impedancija zamke sastoji uglavnom od reaktancija) biti uglavnom po faznom kutu okomi-

ta na napon koji je izaziva. Tako će dodatna struja po fazi biti uglavnom okomita i na osnov-

ni napon, pa će tome odgovarati tok jalove snage unutar zamke koji se superponira na pos-

tojeće tokove snaga u pojedinim granama zamke. Uzdužna regulacija napona unutar zam-

ke djeluje dakle na tokove jalovih snaga (sl. b).

• Kod poprečne regulacije u zatvorenim mrežama dodaje se (npr. pomoću odgovarajućeg

transformatora) poprečna komponenta napona unutar zamke. Dodatni će napon u zamki

izazvati dodatnu struju, koja će - zbog pretežno reaktivnog karaktera impedancije zamke –

biti uglavnom okomita na dodatnu poprečnu komponentu napona. Time će se dodatna stru-

ja praktički poklapati po fazi s osnovnim naponom. Rezultat je dakle tok djelatne snage

unutar zamke, koji se superponira na postojeće tokove snaga u pojedinim granama zamke.

Poprečna regulacija napona unutar zamke djeluje dakle na tokove djelatnih snaga (sl. c).

11


Može se dakle zaključiti:

• da djelatne snage preko odgovarajućih padova napona utječu na fazne kutove napona, što

znači da su djelatne snage i fazni kutovi napona međusobno povezani, odnosno

• da jalove snage na sličan način utječu na iznose napona, dakle jalove su snage i iznosi na-

pona međusobno povezani.

12

1.6 Ispravni režim napona

• Pod ispravnim režimom napona u mreži smatra se takvo pogonsko stanje u kojem iznosi

napona ne odstupaju previše od nazivne vrijednosti. Tablica prikazuje štetne posljedice

prevelikog odstupanja napona u slučaju nekih elemenata mreže i nekih potrošača.

• Odstupanja imaju uzrok u padu napona u pojedinim dijelovima mreže. Pad napona se mije-

nja zbog promjenljivosti opterećenja.

napon

prenizak previsok

mrežni elementi

vodovi veći gubici u bakru veće naprezanje izolacije

transformatori veći gubici u bakru veće naprezanje izolacije

veći gubici u željezu

potrošači

asinkroni motori veći gubici u bakru

smanjenje prekretnog momenta

smanjenje brzine

povećanje struja

veći gubici u željezu

žarulje manji svjetlosni tok kraća životna dob

fluorescentne cijevi smetnje pri paljenju (0,85 Un)

kraća životna dob

električna grijalica željena se temperatura sporije uspostavlja opasno pregrijavanje

radio i TV aparati loš zvuk i slaba slika kraća životna dob

13

1.7 Održavanje ispravnog režima napona

Režim napona može se održavati u dozvoljenim granicama:

• Bez posebnih uređaja za regulaciju: Ovo je moguće ako je mreža dovoljno dimenzionirana

(sl.a), ali pri tome ipak dolazi do promjena napona kod potrošača. Evidentna je ušteda na

investicijama za regulacijske uređaje, ali ovo se primjenjuje kod manjih mreža.

• Sa uređajima za regulaciju: Na ovaj način promjene napona mogu se smanjiti na minimum,

što svakako rezultira boljim radom trošila, a isto tako može se uštedjeti na investicijama za

mrežu, te na gubicima u pogonu koji su manji. Ovo se primjenjuje kod većih mreža (sl. b).

• Ispravni režim napona može se održati:

- vršenjem regulacije napona na elementima mreže,

- smanjenjem jalove snage u mreži.

14

1.8 Vršenje regulacije napona na elementima mreže (1)

• Regulacija napona može se vršiti na raznim elementima u mreži, kako je to prikazano na

slici:

15


Regulacija napona na generatoru (1)

16

• Gledajući u užem smislu, na generatoru postoji mogućnost samo uzdužne regulacije na-

pona. Regulacija napona po iznosu postiže se većom ili manjom uzbudom, dakle promje-

nom jakosti struje u uzbudnom krugu uzbudnika. Time se znatno olakšava regulacija, koja

je praktički kontinuirana. Opseg regulacije obično je ±5 % u odnosu na nazivni napon ge-

neratora, koji je pak redovito za 5 % viši od nazivnog napona mreže. Regulacija napona na

generatoru bez daljnjega se može vršiti pod teretom i uvijek stoji na raspolaganju.

• Gledajući u širem smislu, može se reći da generator ima i mogućnost poprečne regulacije,

time što se djeluje na punjenje pogonske turbine. Ako se poveća punjenje turbine, ubrzat

će se rotor generatora dok se ne postigne veći kut ispred okretnog polja statora. Budući da

je za položaj rotora vezan položaj vektora unutarnjeg napona, to ovo ima iste posljedice kao

zakretanje unutarnjeg napona generatora po faznom kutu. Generator se, međutim, ne ko-

risti za poprečnu regulaciju napona, već promjena punjenja turbine ima primjenu u regula-

ciji frekvencije, odnosno djelatne snage.

• Ako sinkroni stroj radi sam na vlastitu mrežu, promjena uzbude djelovat će na iznos napo-

na, dakle tada se može govoriti o regulaciji napona.

• Ako generator radi na krutu mrežu (na mrežu beskonačno velike snage u odnosu na vlas-

titu snagu), promjena uzbude neće promijeniti iznos napona, jer taj iznos čvrsto drže os-

tali generatori i mreža. Promijenit će se samo tok jalove snage, jer se promatrani stroj

stvarno nalazi u zatvorenoj zamci, koja se zatvara preko zvjezdišta svih generatora koja se

smatraju međusobno spojenima. U ovom slučaju umjesto “regulacije napona” opravdanije

je govoriti o “regulaciji uzbude i jalove snage”.


Regulacija napona na generatoru (2)

17


Regulacija napona na transformatoru (1)

• Regulacija napona na transformatoru vrši se promjenom broja zavoja, tako da se na nekom

namotu uzme veći ili manji broj zavoja. Obično se takva regulacija vrši na namotu višeg

napona, koji ujedno redovito predstavlja primarni namot.

• Mijenjanje broja zavoja može se vršiti:

- u beznaponskom stanju (dakle kod potpuno iskopčanog transformatora), pri čemu se go-

vori o transformatoru s odvojcima;

- pod teretom (dakle transformator je ne samo ukopčan nego i opterećen), pri čemu se go-

vori o regulacijskom transformatoru.

18

• Mijenjanje broja zavoja u beznaponskom stanju ustvari se i ne smatra regulacijom. Danas

se uglavnom svi distributivni transformatori (35/10 kV, 20/0,4 kV, 10/0,4 kV) grade s odvojci-

ma na primaru (obično ±5 %), koji se mogu udesiti prije ukapčanja transformatora. Napon

jednak nazivnom priključuje se na srednji odvojak. Povećanje broja primarnih zavoja uz ne-

promijenjeni napon primara smanjuje napon po jednom zavoju, te se smanjuje sekundarni

napon. Odgovarajućom promjenom odvojaka takvih transformatora mogu se izjednačiti sa-

mo nejednakosti napona zbog njihove različite lokacije u mreži. Time se na osnovi očekiva-

nih, i o opterećenju ovisnih, promjena primarnog napona osigurava napon unutar dozvolje-

nih granica duž 10 ili 0,4 kV-ne mreže na sekundaru.

• Mijenjanje broja zavoja pod teretom moguće je kod regulacijskih transformatora, koji se

koriste pri transformaciji s visokog na visoki i s visokog na srednji napon. Ti su transfor-

matori snabdjeveni posebnom preklopkom u tu svrhu. Opseg regulacije obično iznosi

±15 %, ali se ide i na manji opseg do ±10 %, pa i na veći do ±20 %. Premali opseg regula-

cije ima tu manu, što regulacijska sklopka (koji je skup uređaj) nije dovoljno iskorištena.

Kod vrlo velikog opsega regulacije dolazi do prevelikog zasićenja u željezu, odnosno do

preslabo iskorištenog magnetskog kruga. Regulacija se vrši u stupnjevima, pa se prema

tome napon mijenja na skokove. Uobičajen je skok u jednom stupnju oko 1,5%, ali su i tu

mogući skokovi između 1% i 2%. Premali skok zahtijeva veći broj položaja preklopke, dak-

le veći broj kontakata na njoj, što poskupljuje preklopku. Prevelik skok dovodi do prenag-

lih promjena napona, na što su neka trošila osjetljiva.



19

Regulacijska preklopka može biti smještena:

• u zvjezdištu transformatora, gdje se može jednostavnije izvesti, jer tu između tri faze ne-

ma napona, pa je lakše tri pola preklopke međusobno izolirati, i čitava je izvedba preklop-

ke potpuno kompaktna;

• na faznim priključcima, što je potrebno ako iz bilo kojeg razloga nije moguće smjestiti

preklopku u zvjezdište (npr. kod štednog spoja transformatora), pa se u tom slučaju pre-

klopka izvodi s tri odvojena pola.



20

• Regulacija s preklopkom može se vršiti:

- u istom kotlu, gdje se vrši i transformacija, pri čemu se radi o transformatoru kod kojeg se

glavni i regulacijski namot nalaze u istom kotlu;

- odvojeno u posebnom kotlu, pri čemu je regulacijski namot (obično u štednom spoju ako

se radi o uzdužnoj regulaciji) smješten u posebnom kotlu.



21

Regulacija na transformatoru može biti uzdužna i poprečna (slika na prethodnom slajdu).

• Kod uzdužne regulacije broj zavoja mijenja se na istom namotu. Određenom osnovnom

broju zavoja, koji daje osnovni napon, regulacijom se dodaje ili oduzima još neki broj zavo-

ja, čime se osnovni napon povećava ili smanjuje.

• Kod poprečne regulacije osnovnom naponu se dodaje regulacijski dio napona, koji stoji

okomito na osnovni napon. Prema smjeru tog dodatnog napona, vektor napona se zakreće

u smjeru pozitivnog ili u smjeru negativnog kuta. Kod trofaznog transformatora ovaj do-

datni poprečni napon dobije se tako da ako se npr. za osnovni napon ima fazni napon fa-

ze R, onda se za proizvodnju poprečnog napona uzme dio linijskog napona S – T. Poprečna

regulacija napona postavljanjem posebnih transformatora u tu svrhu (s prijenosnim omje-

rom 1:1), čime bi se moglo utjecati na raspodjelu djelatnih snaga u granama zatvorene pet-

lje, razmjerno se malo koristi. Postoje slučajevi u praksi, gdje npr. transformatori 220/110 kV

imaju i uzdužnu i poprečnu regulaciju, pa se tako može utjecati na raspodjelu snaga u 220,

odnosno 110 kV-nim vodovima.



22

Regulacijska preklopka ima posebnu problematiku, koja se sastoji u slijedećem:

• Kod prelaska kontaktnog prsta od jednog na drugi odvojak, ne smije se spoj s prvim odvoj-

kom prekinuti prije nego se uspostavi spoj s drugim odvojkom, jer bi u tom slučaju došlo

do galvanskog prekida glavnog strujnog kruga. Struja bi tu ipak tekla dalje, i to preko elek-

tričnog luka, što bi razorilo taj dio preklopke. Također se ne smije uspostaviti spoj s drugim

odvojkom dok još traje spoj s prvim odvojkom, jer bi u tom slučaju dio namota između pr-

vog i drugog odvojka došao u kratki spoj. Zbog velike struje kratko spojenog dijela namota,

taj bi dio namota izgorio.



23

• Ovaj se problem rješava pomoću dvostrukog kontaktnog prsta da se spoj ne bi prekidao,

pri čemu se u krug kratko spojenog dijela namota umeće otpornik ili prigušnica, što sma-

njuje struju kratkog spoja na tako malu vrijednost da kroz kratko vrijeme dok traje prekop-

čanje, ne dođe do oštećenja.

• Rješenje s prigušnicom je povoljnije jer u njoj nema gubitaka kao u otporniku. Osim toga,

prilikom prijelaza s jednog kontakta na drugi, u srednjem položaju kad je svaki kontaktni

prst na drugom kontaktu, zbog djelovanja prigušnice, dobiva se napon koji odgovara sre-

dini između jednog i drugog odvojka, čime se dobivaju manji skokovi.

• Otpornik i prigušnica dimenzionirani su na kratkotrajni pogon, pa se treba pobrinuti, da re-

gulacijski uređaj ne stane negdje usput, ne završivši potpuno regulacijski ciklus, čime bi

stanje s kratkim spojem dijela namota trajalo duže vremena. To se postiže mehanizmom

preklopke koji se obično pokreće navinutom oprugom.



24


Regulacija napona na vodu (1)

• Zahvatima na vodu s ciljem promjene parametara može se također vršiti regulacija napona,

odnosno utjecati na režim napona. Ti su zahvati sljedeći:

- promjena broja vodova

- promjena valnog otpora voda

- upotreba serijskih kondenzatora

25

• Promjena broja vodova odnosi se na slučaj kada se ima više paralelnih vodova između

dvije stanice. U pogonu može se mijenjati broj vodova, npr. kod velikog tereta ukopčat će

se svi raspoloživi vodovi u svrhu smanjenja pada napona zbog induktivnih struja, a kod

malog tereta iskopčat će se svi vodovi osim jednog da bi se smanjio Ferrantijev efekt (ne

samo u vodu nego i u transformatoru ispred voda).

Treba napomenuti da je promjena parametara voda na ovaj način previše gruba, a osim to-

ga više paralelnih vodova samo u svrhu regulacije napona rijetko se koristi jer bi to bilo ne-

ekonomično. Ali veći broj paralelnih vodova ima prednosti s drugih aspekata: stabilnost,

pouzdanost opskrbe pri trajnom kvaru, smanjenje gubitaka i sl.

• Promjena valnog otpora voda je u stvari prilagođenje prirodne snage voda snazi prijenosa.

Vrši se postavljanjem porednih prigušnica, kondenzatora, odnosno sinkronih kompenzato-

ra duž voda. Poredne prigušnice smanjuju poprečni kapacitet voda, pa tako povećavaju

valni otpor i smanjuju prirodnu snagu, sukladno poznatim izrazima:

2

1

1

;v nat

v

L UZ P

C Z

Poredni kondenzatori djeluju suprotno. Tako je za opterećenja manja od prirodne snage

povoljno priključiti prigušnice, a za opterećenja veća od prirodne snage poredne konden-

zatore. Sinkroni kompenzatori – ovisno o stanju njihove uzbude - mogu preuzeti obje ulo-

ge. Preuzbuđeni djeluju kao kondenzatori, poduzbuđeni kao prigušnice.



26

• Serijski kondenzator



27

• Serijski kondenzator ugrađuje se kod kraćih vodova na 2/3 dužine, a kod dužih vodova na

više mjesta jednoliko raspoređeno. Uloga kondenzatora je da smanji reaktanciju voda, pa

da tako smanji i pad napona na vodu. Obično se induktivitet kompenzira samo djelomično.

• Serijski kondenzatori u pogledu režima napona dolaze naročito do izražaja ako struja u vo-

du ima veliku induktivnu komponentu, jer induktivna komponenta u reaktanciji voda stvara

uzdužni pad napona. Ako je struja u vodu praktički čisto djelatna, onda će serijski konden-

zator smanjiti poprečni pad napona, a to je veoma korisno za poboljšanje stabilnosti.

• Ustvari, pomoću serijskih kondenzatora ne vrši se regulacija napona, nego njihovo posto-

janje trajno smanjuje pad napona. To je njihova velika prednost, jer ne treba vršiti manipu-

lacije u pogonu, a režim napona ostaje povoljan i bez naglih - makar i malih – skokova do

kojih bi inače dolazilo u slučaju postojanja regulacijskih uređaja.

• Struja voda koja teče kroz serijski kondenzator izaziva u njegovoj kapacitivnoj reaktanciji

(negativni) pad napona, koji je to veći, što je struja voda veća. Toliki napon mora izdržati

izolacija između obloga kondenzatora, pa se ta izolacija dimenzionira prema najvećoj po-

gonskoj struji u vodu.

• Međutim, u slučaju kratkog spoja negdje u mreži, struja će biti višestruko veća i to izolacija

neće izdržati. Naravno bilo bi preskupo graditi kondenzatorsku bateriju s izolacijom, koja bi

toliki napon izdržala (jer deblja izolacija još i smanjuje kapacitet). Problem je riješen tako da

se kondenzator premosti paralelnom sklopkom, koja reagira na veličinu struje u vodu. Ipak

ta sklopka prekasno djeluje, jer prođe nekoliko stotinki sekunda, dok proradi zaštitni relej i

sama sklopka.

• Zbog toga se paralelno sklopki postavlja iskrište, na kojem će doći do preskoka čim napon

poraste, pa će kondenzator biti sačuvan. Kasnije će sklopka automatski ukopčati i preuzeti

struju od iskrišta, gdje će se električni luk ugasiti.



28

• Kako do promjene iznosa napona dolazi zbog pada napona uslijed induktivne struje u reak-

tanciji voda, smanjenjem induktivne struje potrošača poboljšat će se režim napona. Sma-

njenje induktivne struje može se postići postavljanjem porednih kondenzatora na kraj voda.

Ovo se u tehničkoj praksi zove kompenzacija jalove snage potrošača.

• Promjenom jalove snage na kraju voda može se utjecati na iznos napona tako, da se može

ne samo smanjiti induktivna snaga, nego se namjerno može prenositi i kapacitivna snaga,

što će još više povisiti napon na kraju voda (kod potrošača). Npr. u kružnom pogonskom

dijagramu dani su iznosi napona na početku i kraju voda, za koje želimo da budu konstant-

ni. Prema tome pogonska točka mora ležati na ucrtanoj kružnici. Ako je teret na kraju voda

definiran točkom M, mora se dodati kapacitivna jalova snaga u iznosu jednakom MM’ da se

uz konstantni napon na početku održi željeni napon na kraju. Ako se na početku regulira na-

pon ili ako se dozvole kolebanja napona na kraju, onda je dakako za održanje naponskih pri-

lika potrebna manja jalova snaga.


Regulacija napona kod potrošača (1)

29

• Kompenzacija jalovih snaga kod potrošača (ili kako se još zove: popravak faktora snage)

može se shvatiti i tako, da se tok jalovih snaga u mreži svodi na najmanju moguću mjeru,

a da se izvori napajanja jalovom snagom što više približe mjestu potrošnje. To se postiže

ako se kod samog potrošača provodi pojedinačna ili grupna (centralna) kompenzacija

ugradnjom porednih kondenzatorskih baterija.

• Vektorski dijagram kompenzacije u odnosu na mjesto ugradnje kondenzatorskih baterija

dan je na sl. a:

• Za popravak faktora snage od cosφ1 na cosφ2 i smanjenje prividne snage od S1 na S2 pot-

rebna je jalova snaga kondenzatora QC = Q1 – Q2 (sl. a), odnosno:

1 2tan tancQ P

• Ako se pri istoj prividnoj snazi potrošača S želi povećati djelatna snaga potrošača s P1 na

P2 = P1 + ΔP, to se postiže kompenzacijom u iznosu (sl. b):

1 1 2 2tan tancQ P P

1S

1Q

2Q

CQ

2S)a

P

12

1P

)b

2 1P P P

1S S

2S S

1Q

2Q

CQ

P

2 1



30



• Ako se želi uz poznati potrošak jalove energije Wq (očitan na brojilu jalove energije) naći

potrebnu snagu QC kondenzatora koji treba ugraditi da se postigne određeni srednji (obra-

čunski) faktor snage cosφ2 za vrijeme t pogonskih sati, ona se može izračunati iz relacije:

t

WWQ

q

C

2tan

gdje je W djelatna energija očitana na brojilu.

31

• Za regulaciju napona ugradnjom kondenzatora kod potrošača postoje – kao što je rečeno –

dvije varijante koje su sa stanovišta mreže istovjetne. Razlikuju se po mjestu ugradnje kon-

denzatorske baterije. To su:

- pojedinačna kompenzacija (sl. a)

- grupna (centralna) kompenzacija (sl. b)



32

• Na slici a) kondenzatorska je baterija ugrađena uz samo trošilo čime se ostvaruje pojedi-

načna kompenzacija. Tu je ne samo mreža, već i grana A – B rasterećena većeg dijela (ili

čak cjelokupne) jalove snage QL. Isključenjem trošila isključuje se i kondenzator, pa neće

biti opasnosti od prekompenzacije. Ovaj način smještaja kondenzatora bit će pogodan za

trošila, koja imaju izuzetno loš faktor snage (fluorescentne, živine i natrijeve svjetiljke) i ko-

jima je osim toga, jalova snaga konstantna (električne pumpe s približno konstantnom visi-

nom pumpanja, ventilatori u jednolikom režimu rada). Mana ovog načina je veliki instalira-

ni kapacitet kondenzatora, neaktivan dok je trošilo isključeno. Ako je QL promjenljivo (a to

je čest slučaj), uz konstantni QC dolazi povremeno do podkompenzacije (razdoblje kad je

QL > QC) i do prekompenzacije (razdoblje kad je QL < QC). Kada su te razlike velike, treba

poduzeti mjere da se QC prilagodi QL, tj. da se QC regulira po unaprijed zadanom kriteriju.

• Pojedinačna je kompenzacija asinkronih motora ekonomična kad je motor u stalnom pogo-

nu, a za priključak kondenzatora nisu potrebne posebne sklopke i osigurači. Snaga priklju-

čenog kondenzatora odabire se prema jalovoj snazi praznog hoda motora, a da sigurno ne

dođe do prekompenzacije, odabire se kondenzator koji ima za 10% manju snagu od jalove

snage koju motor preuzima u praznom hodu. Za trofazni motor vrijedi:

3

00,9 3 10cQ I U kVAr

gdje je:

I0 – struja praznog hoda motora [A]

U – linijski napon mreže [V]



33

• Na slici b) prikazan je slučaj grupne (centralne) kompenzacije. Radi se o kompenzaciji ve-

ćeg broja sličnih trošila - npr. grupe motora ili grupe fluorescentnih cijevi – (grupna kom-

penzacija) ili o kompenzaciji cijelog pogona (centralna kompenzacija). Tu je potreban ma-

nji ukupni kapacitet kondenzatora (zbog faktora istovremenosti), pa je rješenje jeftinije, po-

gotovo ako je predviđena i regulacija. Svrha je takve kompenzacije rasterećenje pojne mre-

že do mjesta ugradnje kondenzatora. Iza mjesta ugradnje kompenzacije ne poboljšava se

time ništa. Dakle mana je što je prijenosni vod A – B opterećen punom jalovom snagom QL

uz odgovarajući pad napona i vod A – B mora biti strujno dimenzioniran za prijenos ukupne

prividne snage S > P.

• Da bi se snaga kompenzacije mogla prilagoditi momentanom opterećenju potrošača, redo-

vito nije dovoljno da se kondenzatori ručno uklapaju i isklapaju, već je prilagođivanje pot-

rebno provesti automatskim uklapanjem grupa kondenzatorskih baterija. Dakle regulacija

jalove snage kondenzatorskim baterijama moguća je jedino u skokovima, na način da se

cijela kondenzatorska instalacija podijeli u nekoliko jedinica, od kojih se po potrebi veći ili

manji broj priključuje na mrežu. Veći broj manjih jedinica poskupljuje instalaciju, ali omogu-

ćuje finije prilagođavanje.



34

• Primjer automatske regulacije grupne

(centralne) kompenzacije:

Na sabirnice su priključena trošila i tri grupe

kondenzatorskih baterija (sl a). Sklopke bateri-

ja vezane su na uređaj R koji ih automatski uk-

lapa i isklapa u ovisnosti o nekoj graničnoj ve-

ličini preuzimane jalove snage. Kad npr. preu-

zeta induktivna jalova snaga dostigne 35 kVAr

(sl. b), automatski proradi i uklapa pojedine

grupe kondenzatora. Kad opterećenje poraste

do točke A, uključuje se I grupa kondenzatora

od 50 kVAr i radna točka pada u B. U trenutku

kad uslijed daljeg porasta opterećenja potroš-

nja jalove snage opet dostigne 35 kVAr (točka

C), uklapa se II kondenzatorska grupa od 100

kVAr i pogonska točka premješta se u D. Time

nastaje prekompenzacija, pa dolazi do auto-

matskog isklapanja grupe I. Ako tada optere-

ćenje naraste do točke E, ponovno se uklapa

grupa I, itd., sve dok opterećenje ne naraste

toliko da su uklopljene sve tri kondenzatorske

baterije. Pri padu opterećenja teče isklapanje

sličnim redom. Prvo isklapanje nastaje kad

prekompenzacija dostigne točku K’, itd. Ovak-

va se kompenzacija može provesti bilo na viso-

kom, bilo na niskom naponu.



35

1.9 Smanjenje jalove snage u mreži (1)

Naponske prilike i tokovi jalovih snaga (1)

• Kako je već ranije navedeno, tokovi jalovih snaga u mreži i naponske prilike čvrsto su me-

đusobno povezani: smanjivanjem jalove snage povećava se napon i obratno.

• Osim trošila i sami elementi mreže (vodovi, transformatori) doprinose bilanci jalovih sna-

ga, i to u poprečnim granama ovisno o naponu, a u uzdužnim granama ovisno o struji.

• Trošila, vodovi (u njihovim uzdužnim induktivnim reaktancijama) i transformatori za svoj

rad trebaju induktivnu jalovu snagu, a vodovi sa svojim pogonskim kapacitetima generira-

ju upravo takvu snagu.

• Pri tome, međutim, nema ravnoteže između proizvedene i potrošene jalove snage: uz pret-

postavku konstantnog napona, vodovi će generirati konstantnu induktivnu jalovu snagu,

dok će trošila i transformatori – u skladu s dnevnim dijagramom opterećenja – trošiti tije-

kom vremena različitu jalovu snagu. Obično je potrošnja jalove snage elemenata mreže ve-

ća od generirane jalove snage vodova, ali u dijelovima mreže u nekim posebnim pogon-

skim uvjetima može se pojaviti i obrnuti slučaj. Kompenzacija kod potrošača iz ekonom-

skih razloga ne obuhvaća svu potrebnu jalovu snagu, već njen manji ili veći dio, što prven-

stveno ovisi o tarifnim odnosima. Prema tome, razliku moraju proizvesti generatori u

elektranama, što znači da se u mreži pojavljuje tok jalove snage od izvora prema potroša-

čima jalove snage.

• Kako tokovi jalove snage prouzrokuju padove napona u mreži, treba ih smanjiti na najma-

nju moguću mjeru. To će se postići tako, da se jalova energija pogodnim sredstvima od-

nosno uređajima (porednim statičkim kondenzatorskim baterijama, sinkronim kompenza-

torima i porednim prigušnicama) generira neposredno u onoj točki mreže gdje je potrebna,

i to upravo uz željenu snagu.

36



• Vektorskim dijagramom na sl. a prikazan je

primjer promjene napona na visokonapon-

skom vodu nakon kompenzacije. Indukduk-

tivna jalova struja Iq djelomično je kompen-

zirana strujom IC. Time se ukupna struja

smanjila od I na I’, a razlika apsolutnih vri-

jednosti napona od U1 na U2. Ovo je dak-

le slučaj kada je potrošnja jalove snage u

vodu

veća od generirane jalove snage

odnosno QV > QC.

• Na sl. b prikazan je primjer znatne prekom-

penzacije, čak tolike da je napon U2 na kraju

voda veći od napona U1 na njegovu početku

(slučaj kada je QV < QC).

• Ako je QV = QC, prenosi se samo djelatna

snaga, koja odgovara prirodnoj snazi (Pnat)

voda.

LIXIQ LV 22 33

CUX

U

X

U

X

VQ

CCC

C 2222 1

333

37



• Budući da su u mrežama vrlo visokih napona

(400 kV i više) posrijedi tokovi velikih jalovih

snaga u vodovima, koji su ovisni o optereće-

nju, posebno se postavlja problem njihove

kompenzacije.

• Na slici su nacrtane za nadzemni vod 220 kV

i 400 kV, duljine 100 km, potrebe jalove sna-

ge u ovisnosti o omjeru P/Pnat, tj. o omjeru

snage opterećenja (P) i prirodne snage voda

(Pnat).

• Npr. neopterećeni vod 400 kV traži oko 55

MVAr kapacitivne jalove snage, dok optere-

ćen snagom koja je za 50% veća od prirodne

snage traži oko 70 MVAr induktivne snage.

38



• Kako neopterećeni ili slabo opterećeni visokonaponski vod djeluje kao kondenzator i pro-

izvodi velike induktivne jalove snage koje teku u mreži, može doći u pojedinim točkama do

nedopuštenog povišenja napona.

• Najpovoljnije je ako ove snage mogu preuzeti poduzbuđeni generatori u elektranama, ali to

često nije moguće zbog nepovoljne (daleke) lokacije elektrana i/ili zbog ograničene moguć-

nosti da generatori rade u poduzbuđenom području.

• U takvim se slučajevima u prikladne točke mreže priključuju poredne priušnice.

• Kada su visokonaponski vodovi jako opterećeni, mora postojati mogućnost da dobiju in-

duktivnu jalovu snagu potrebnu da ne bi došlo do prevelikog gubitka napona ili čak do na-

ponskog sloma i ispada sustava.

• U takvim prilikama sustav mora raspolagati rezervnim izvorima induktivne jalove snage ko-

ji mogu odmah intervenirati. I u ovom je slučaju najpovoljnije ako traženu jalovu snagu mo-

gu dati generatori u elektranama.

• Ukoliko to iz bilo kojeg razloga nije moguće, treba u mreži izgraditi kompenzacijske uređa-

je. Redovito se u takvim slučajevima ne mogu upotrijebiti kondenzatorske baterije, ili se

mogu upotrijebiti samo djelomično, jer su promjene potrošnje suviše brze (pa bi prilago-

đavanje kondenzatorima bilo nemoguće). Stoga treba ugraditi sinkrone kompenzatore od-

govarajuće snage koji su, istina, skuplji od kondenzatora, ali imaju veliku prednost što je

regulacija njima brza i kontinuirana i što mogu preuzeti ulogu prigušnice. Kako bi se iz-

bjegla upotreba skupih rotacijskih strojeva, danas se nastoji riješiti problem elastične kom-

penzacije u mrežama pomoću statičkih kompenzatora koji koriste elemente energetske

elektronike.

39

1.10 Sredstva za kompenzaciju jalove snage (1)

Sredstva za kompenzaciju jalove snage dijele se na rotirajuće i statičke.

Rotirajuće naprave:

• sinkroni generatori

• sinkroni motori

• sinkroni kompenzatori

Statičke naprave:

• kondenzatori

• prigušnice

• statički kompenzatori

40


Rotirajuće naprave (1)

Sinkroni generatori i motori:

• Za sinkrone strojeve općenito vrijedi da preuzbuđeni djeluju kao kondenzatori, a poduzbu-

đeni kao prigušnice.

• Građeni su i eksploatirani prema potrebama za djelatnom snagom, pa njihovo mjesto u

mreži, s gledišta kompenzacije, često nije najpovoljnije.

• Generatori građeni za niži nazivni faktor snage (dakle oni koji su u stanju proizvoditi više

jalove snage) su skuplji, pa prilikom narudžbe treba utvrditi, među ostalima, i njihovu ulo-

gu u mreži kao proizvođača jalove snage.

• Ako stroj uz djelatnu proizvodi i jalovu snagu, gubici su naravno veći. Pri punom naziv-

nom opterećenju gubici u generatoru iznose 7...13 kW/MVAr.

• U poduzbuđenom stanju generator radi rjeđe. Mogućnost proizvodnje jalove snage u tak-

vom stanju daleko je manja nego u naduzbuđenom području. Preniska uzbuda može ima-

ti za posljedicu nestabilan rad stroja i preveliko ugrijavanje.

• Generator kao izvor jalove snage ne traži nikakvo posebno održavanje i nadzor, te je glav-

ni dobavljač induktivne jalove snage u sustavu.

• Sinkroni motori kao sredstva za kompenzaciju naravno ne dolaze u obzir u mreži, već u in-

dustrijskim pogonima koji koriste te motore. Tu se može osim kondenzatorima, kompen-

zacija vršiti vrlo ekonomično i preuzbuđivanjem sinkronih motora. Prednosti su takve

kompenzacije vrlo mali pogonski troškovi, te njena brza i kontinuirana regulacija.

41


Rotirajuće naprave (2)

Sinkroni kompenzatori:

• Sinkroni kompenzator je u stvari sinkroni motor u praznom hodu koji je građen samo za

proizvodnju jalove snage.

• Nazivna snaga stroja odgovara mogućnosti proizvodnje jalove snage u preuzbuđenom sta-

nju.

• Poduzbuđen stroj u ulozi prigušnice može dati samo oko 60...70% nazivne snage.

• Za pokrivanje mehaničkih i električnih gubitaka kompenzator uzima iz mreže djelatnu sna-

gu u iznosu od 1...2% nazivne snage. U većim jedinicama gubici su procentualno manji.

• Sinkroni kompenzatori su vezani na tercijarni namot mrežnog transformatora, najčešće

napona 10 kV, te s obzirom na to da su ugrađeni u čvorištima mreže, izgrađeni su redovi-

to za montažu na otvorenom.

• Usporede li se sinkroni kompenzatori s kondenzatorima može se reći da su specifične in-

vesticije, gubici i održavanje kompenzatora veći nego za kondenzatore, no glavna im je

prednost da se njihovo opterećenje može brzo i kontinuirano regulirati u velikom opsegu

od kapacitivnog do induktivnog područja. Osim toga za vrijeme poremećaja u sustavu i ja-

kih sniženja napona, kad je jalova snaga najpotrebnija, snaga kondenzatora pada s kvadra-

tom napona, dok sinkroni kompenzator može održati nominalnu snagu u dosta širokim gra-

nicama napona.

42


Statičke naprave (1)

Kondenzatori (1):

• Električni kondenzator najčešće i najraširenije je sredstvo za kompenzaciju induktivne ja-

love snage. U današnje se elektroenergetske mreže ugrađuju kondenzatori za znatne sna-

ge i s mogućnošću priključka do najviših naponskih nivoa.

• Takve zahtjeve, naravno, ne može ispuniti jedan kondenzatorski element, već je potrebno

vezati veći broj manjih elemenata, prema potrebi, paralelno (za postizanje tražene struje od-

nosno snage) i u seriju (za više napone), te složiti ih u bateriju.

• Kondenzatorski element ima oblik limene kutije s jednim, dva ili tri provodna izolatora,

prema tome da li je izveden jednofazno s priključkom na kutiju, jednofazno izolirano ili tro-

fazno.

• Redovito se kondenzatori za kompenzaciju na niskom naponu grade kao trofazni elementi

za unutarnju montažu, a visokonaponski u jednofaznoj izvedbi za ugradnju na otvorenom –

no to nije pravilo.

• Danas se kondenzatorski elementi za visoki napon grade do snaga od nekih 200 kVAr i

maksimalni napon 10...12 kV.

• Ni sami elementi kondenzatorske baterije nisu građeni kao jedan kondenzator, već kao

skup serijski i paralelno vezanih kondenzatorskih smotaka. Smotku čine dvije trake od alu-

minijske folije ili metaliziranog papira, izolirane papirom, papir-propilenom ili nekom plas-

tičnom izolacijom. Smotke su prije bile uronjene u izolacijsko mineralno ulje, a danas se

upotrebljavaju klorirani ugljikovodici.

43



Kondenzatori (2):

• Između snage QC jednofaznog kondenzatora i njegovog kapaciteta C postoji odnos:

gdje je U nazivni linijski napon, a ω kružna frekvencija.

• Za trofazne kondenzatore vrijedi:

gdje je Uf nazivni fazni napon.

• Gubici u kondenzatoru su mali i kreću se od 0,1 do 0,7% nazivne snage kondenzatora.

• Poredni kondenzatori moraju biti dimenzionirani za maksimalni pogonski napon na mjes-

tu ugradnje i zaštićeni protiv velikih struja.

• Kod sklapanja kondenzatora treba paziti da ne dođe do opasnih prenapona i velikih struja.

Osobito se velike struje izjednačenja javljaju prilikom paralelnog uklapanja kondenzatora

na kondenzatore koji su u pogonu. Prekidači za sklapanje kondenzatora moraju biti poseb-

ne konstrukcije da bi mogli isklapati kapacitivne struje.

CUQC 2

CUQ fC 23

44



Kondenzatori (3):

• Slika prikazuje četiri elementa jednofaznih visokonaponskih kondenzatora snage 50, 100,

150 i 200kVAr.

45



Prigušnice:

• Prigušnice za kompenzaciju kapacitivnih jalovih snaga vodova vrlo visokih napona (400 kV

i više) građeni su slično kao transformatori, ali na željeznoj jezgri imaju samo jedan namot,

a jezgra ima obično zračni raspor.

• Prigušnice se priključuju na mrežu na dva načina:

- direktno na vod (tamo gdje se rijetko isključuju, a vodovi su veće duljine, pa je potrebno

radi smanjenja prenapona omogućiti pražnjenje preko prigušnica), sl.a

- indirektno preko tercijarnog namota mrežnog transformatora napona 10...35 kV (tamo gdje

se češće uklapaju), sl. b.

• Ako se prigušnica postavlja samo na jed-

nom kraju voda, onda treba odabrati sup-

rotnu stranu od one, koja se u većini slu-

čajeva prva uključuje.

• Kod kompenzacije na oba kraja voda, tre-

ba dodati prigušnicu i na mjestima ozna-

čenim s a na slikama a) i b).

• Prigušnice se dimenzioniraju na temelju

analize mreže u raznim režimima pogona,

a obično se kompenzira manje od jedne

polovine “snage punjenja” voda.

46



Statički kompenzatori:

• Statički kompenzatori zovu se naprave koje nemaju pokretnih dijelova, te koriste elemente

energetske elektronike.

• Njima se jalova snaga (kapacitivna i induktivna) može regulirati brzo i kontinuirano.

• Uspješno mogu zamijeniti skupe sinkrone kompenzatore.

• Ova vrst kompenzatorskih uređaja za kompenzaciju u prijenosnim mrežama tek se počinje

uvoditi u upotrebu.

• Prvenstveno se primjenjuju za kompenzaciju brzih i vrlo promjenljivih jalovih snaga indus-

trijskih potrošača.

Documents

1 Odrzavanje Napona u Mrezi