72
Studia Podyplomowe EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ w ramach projektu Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią Straty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego Dr hab. inż. Wiesław Nowak

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

  • Upload
    others

  • View
    0

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Studia Podyplomowe

EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ

w ramach projektu

Śląsko-Małopolskie Centrum Kompetencji Zarządzania Energią

Straty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego

Dr hab. inż. Wiesław Nowak

Page 2: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

dr hab. inż. Wiesław Nowak, prof. AGH

Energooszczędność w instalacjach i sieciach elektroenergetycznychStraty mocy i energii w elementach elektroenergetycznego układu przesyłowego

Kraków, 2 marca 2013

Page 3: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Plan wykładu

1. Straty mocy i energii

2. Straty w liniach i przewodach

3. Wpływu odbiorników nieliniowych na straty w elementach sieci

4. Straty w pozostałych elementach siecii instalacji

5. Dyskusja

3

Page 4: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

1. Straty mocy i energii

4

Page 5: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy i energiiStraty mocy i energii

Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w procesie dostawy energii elektrycznej.

Straty dzieli się na straty:

obciążeniowe (podłużne) – zależne od obciążenia elementu sieciowego

jałowe (poprzeczne) – praktycznie niezależne od obciążenia.

5

Page 6: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

6

Page 7: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

7

Page 8: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

8

Page 9: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

9

Page 10: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

10

Page 11: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

11

Page 12: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

Straty mocy jako funkcja przesyłanej mocy:

RU

QPRUSR

USRIPo 2

22

2

222

333 +

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==∆

I – wartość skuteczna natężenia prądu w danym elemenciesieciowym

S, P, Q – odpowiednio moc pozorna, czynna i bierna przepływającaprzez dany element sieciowy

R – rezystancja podłużna elementu sieciowegoU – napięcie międzyfazowe

12

Page 13: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

13

Problem: dostarczyć linią elektroenergetyczna L do punktu odbioru O, moc wytwarzaną w generatorze G

G

~ LO

moc Pcosϕ

długość linii l

U = ???

Jakie wybrać napięcie znamionowe generatora (linii)?

Page 14: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

14

Zależność prądu znamionowego od napięcia znamionowego, P = 200 MW, cosϕ = 0,80

Page 15: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

15

(1) Moc przesyłana:

ϕ= cos3UIP

(2) Prąd w przewodzie linii:

ϕ=

cos3UPI

(3) Straty mocy:

lRIP 023=∆

gdzie: R0 – rezystancja jednostkowa linii, Ω/kml – długość linii, km

Page 16: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

16

(4) Podstawiając (2) do (3):

lRU

PP 0

2

cos33 ⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

ϕ=∆

(5) Rezystancja przewodu:

20 rl

sllR

πρ

=

gdzie: ρ – rezystywność materiału przewodu, Ω⋅mm2/km l – promień przewodu, mm

Page 17: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

17

(6) Podstawiając (5) do (4) otrzymujemy:

%100cos 222 ⋅⋅

πρ

⋅ϕ

=∆

Ul

rP

PP

chcąc ograniczać wielkość strat mocy przy danym P, cosϕ, ρ oraz l należy zwiększać promień rprzewodu lub napięcie znamionowe U przesyłu

Wniosek:

Page 18: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

18

Zależność strat mocy od długości i promienia przewodu (Cu) liniiU = 15,75 kV, P = 200 MW, cosϕ = 0,80

Page 19: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

19

aby np. ograniczyć wielkość strat do poziomu 1% przy przesyle na odległość 100 km linią o napięciu 15,75 kV, należałoby zastosować przewody o promieniu powyżej 200 mm

masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosiłaby:

istniałyby trudności w budowie takiej linii

!!! ton 1100mkg 9000[m] 1000][m 2,0 3

22 ≈⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅⋅⋅π

Page 20: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

20

Zależność strat mocy od długości i napięcia znamionowego liniir = 20 mm, P = 200 MW, cosϕ = 0,80

Page 21: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej obciStraty mocy czynnej obciążążenioweeniowe

21

aby ograniczyć wielkość strat do poziomu 1% przy przesyle na odległość 100 km linią o napięciu 220 kV, należy zastosować przewody o promieniu 20 mm

masa jednostkowa jednego przewodu takiej linii wynosi:

lepiej jest zastosować przewody aluminiowe: aluminium ma co prawda ok.1,6 razy większą oporność właściwąw stosunku do miedzi, ale ponad 3 razy mniejszągęstość

)(tylko! ton 11mkg 9000[m] 1000][m 02,0 3

22 ≈⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅⋅⋅π

Page 22: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy czynnej jaStraty mocy czynnej jałłoweowe

Straty jałowe:

22

G – konduktancja poprzeczna elementu sieciowegoU – napięcie międzyfazowe

GUPj2=∆

Straty jałowe:

w praktyce przyjmuje się, że są stałe

określa się dla tych elementów sieciowych, dla którychw schematach zastępczych uwzględnia się kondunktancję(linie elektroenergetyczne napowietrzne o napięciu znamionowymUn > 30 kV i kablowe o napięciu znamionowym Un > 20 kV,transformatory oraz kondensatory równoległe)

Page 23: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Wypadkowe straty mocy czynnejWypadkowe straty mocy czynnej

Wypadkowe straty mocy czynnej:

23

jo PPP ∆+∆=∆

Page 24: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty energiiStraty energii

Straty energii ∆E określa następująca zależność:

24

∫ ∆=∆aT

t dtPE0

∆Pt – chwilowe straty mocy czynnejTa – czas obliczeniowy czyli czas, dla którego wyznacza

się straty energii

Page 25: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty energiiStraty energii

Straty energii ∆E są sumą:

25

∆Ej – jałowe straty energii czynnej∆Eo – jałowe straty energii czynnej

oj

T

otj

T

t EEdtPPdtPEaa

∆+∆=∆+∆=∆=∆ ∫∫00

][

Page 26: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

JaJałłowe straty energiiowe straty energii

Jałowe straty energii przy założeniu ∆Pj = const:

26

Ta – czas pracy urządzenia (np. Ta = 8760 h)

ajj TPE ∆=∆

Page 27: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

ObciObciążążeniowe straty energiieniowe straty energii

Obciążeniowe straty energii czynnej ∆Eo:

27

Is – największe natężenie prądu w okresie obliczeniowym TaIt – natężenie prądu w chwili tSs – największe obciążenie mocą pozorną w okresie obliczeniowym TaSt – obciążenie mocą pozorną w chwili t∆Pos – straty obciążeniowe przy szczytowym (maksymalnym) obciążeniumSt – chwilowy stopień obciążenia mocą pozorną

dtPEaT

oto ∫ ∆=∆0

Moc chwilową strat ∆Pot można wyrazić jako:

222

Stoss

tos

s

tosot mP

SS

PII

PP ∆=⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛∆=⎟⎟

⎞⎜⎜⎝

⎛∆=∆

Page 28: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

ObciObciążążeniowe straty energiieniowe straty energii

Obciążeniowe straty energii czynnej ∆Eo:

28

τ – czas trwania strat maksymalnychτw – względny czas trwania strat maksymalnych

awosos

T

Stoso TPPdtmPEa

τ∆=τ∆=∆=∆ ∫0

2

Page 29: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Czas trwania strat maksymalnych

Czas występowania strat maksymalnych wyrażony jest następującą zależnością :

29

aw

T

St

T

s

tT

ts

TdtmdtSSdtI

I

aaa

τ≡===τ ∫∫∫0

2

02

2

0

22

1

Obliczenie dokładnej wartości wymaga funkcyjnego odwzorowania przebiegu prądu It = I(t) lub mocy St = S(t) w ciągu całego okresu czasu.

Page 30: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Czas trwania strat maksymalnych

30

W praktyce podstawowymi wielkościamimierzonymi są:

ilość wprowadzonej (zakupionej) energii elektrycznej

maksymalne obciążenia (moc szczytowa)

średnie obciążenia w wybranych jednostkach czasu np. obciążenia 15-minutowe

Analiza różnych metod wyznaczania czasu trwania strat maksymalnych przedstawiona jest w:

Kulczycki J. pod red.: Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych, Wyd. PTPiREE, Poznań 2009

Page 31: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

2. Straty w liniach i przewodach

31

Page 32: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w liniachStraty mocy w liniach

Straty w liniach napowietrznych i kablowych:

obciążeniowe

jałowe

dodatkowe

32

Page 33: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty obciStraty obciążążenioweeniowe

33

Straty obciążeniowe:

RU

QPRUSR

USRIPo 2

22

2

222

333 +

==⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛==∆

I – wartość skuteczna natężenia prądu w danym elemenciesieciowym

S, P, Q – odpowiednio moc pozorna, czynna i bierna przepływającaprzez dany element sieciowy

R – rezystancja podłużna elementu sieciowegoU – napięcie międzyfazowe

Page 34: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty obciStraty obciążążenioweeniowe

34

Przekroje napowietrznych przewodów gołych stosowanychw elektroenergetycznych sieciach przesyłowych i dystrybucyjnych

A - klasyczny przewód stalowo aluminiowy z drutami okrągłymi (AFL)B - przewód z drutami segmentowymi i rdzeniem z drutów okrągłych stalowych (AFLs)C - przewód z drutami segmentowymi i rdzeniem kompozytowym (ACCC/TW), D - przewody gołe z aluminium lub ze stopu aluminium AlMgS (AAL)

Page 35: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty obciStraty obciążążenioweeniowe

35

Względne zmiany rezystancji przewodów

1.00

1.05

1.10

1.15

1.20

1.25

1.30

20 30 40 50 60 70 80Temperatura pracy przewodów w oC

Wzg

lędn

y pr

zyro

st re

zyst

ancj

i prz

ewod

ów AFL, AL, AFLs, ACCC/TW - przewody z aluminium

AAL -przewód - stop alunimium

Page 36: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty obciStraty obciążążenioweeniowe

36

konstrukcji przewodów z drutami segmentowym i kompozytowymi pozwalają na zwiększenie pola przekroju aluminium przewodów AFLS o 20 ÷ 25%, a w przewodach z rdzeniem kompozytowym (ACCC/TW) o około 30% w stosunku do klasycznego przewodu AFL o tej samej średnicy

zwiększenie ilości aluminium w przewodach kompozytowychi segmentowych przekłada się na zmniejszenie rezystancji

zastosowanie przewodów „niskozwisowych” z rdzeniem kompozytowym, pozwala na pracę przewodów w wyższych temperaturach i przy zwiększonym obciążeniu bez konieczności zmiany konstrukcji słupów - równocześnie podwyższona temperatura przewodów oraz zwiększone obciążenie powoduje większe straty mocy w takim przewodzie

Page 37: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty obciStraty obciążążenioweeniowe

37

Względne straty mocy czynnej i rezystancji w linii z przewodami ACCC

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

Dopuszczalne temperatry pracy przewodu ACCC-460 / Stockholm

Wzg

lędn

e st

raty

moc

y i r

ezys

tanc

ji

względne straty mocy

względna zmiana rezystacji

Page 38: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

38

Straty jałowe to straty wywołane zjawiskiem:

upływem w izolacji

ulotu elektrycznego

Page 39: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

39

Straty mocy na upływność w linii 110 kV na izolatorach wiszących

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

pogoda sucha deszcz lekka mgła gęsta mgła iwiatr

sadź

Stany pogody

Stra

ty n

a upły

wność

, [W

/1 k

m to

ru]

Page 40: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

40

Straty ulotowe w dwóch liniach 220 kV o podobnych konstrukcjach: 2, 3, 5, a – dobra pogoda; 1, c – deszcz; 4 – marznąca mżawka; b – suchy śnieg; 4 – szron. Linie

przerywane (oznaczenia literowe) – wartości obliczeniowe; Linie ciągłe (oznaczenia liczbowe) – wartości pomiarowe

P, k

W/k

m

Page 41: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

41

Według klasycznego wzoru Peeka wielkość strat ulotowych Pwyrażona jest zależnością:

( ) ( ) [kW/km]1025241 52 −⋅−+δ

= jUUarfP

δ – gęstość względna powietrza,f – częstotliwość w Hz,a – odstęp między przewodami linii, r – promień przewodu linii, U – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV,Uj – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV odpowiadająca

natężeniu pola elektrycznego jonizacji zderzeniowej:

Page 42: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

42

Według klasycznego wzoru Peeka wielkość strat ulotowych Pwyrażona jest zależnością:

( ) ( ) [kW/km]1025241 52 −⋅−+δ

= jUUarfP

δ – gęstość względna powietrza,f – częstotliwość w Hz,a – odstęp między przewodami linii, r – promień przewodu linii, U – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV,Uj – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV odpowiadająca

natężeniu pola elektrycznego jonizacji zderzeniowej:

Page 43: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

43

Według klasycznego wzoru Peeka wielkość strat ulotowych Pwyrażona jest zależnością:

( ) ( ) [kW/km]1025241 52 −⋅−+δ

= jUUarfP

δ – gęstość względna powietrza,f – częstotliwość w Hz,a – odstęp między przewodami linii, r – promień przewodu linii, U – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV,Uj – wartość skuteczna napięcie fazowego w kV odpowiadająca

natężeniu pola elektrycznego jonizacji zderzeniowej:

Page 44: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

44

212,21 mmE j δ=

m1 – współczynnik uwzględniający gładkość powierzchni przewodu, równy 0,98 ... 0,83 w zależności od konstrukcji i stopnia zestarzenia przewodu,

m2 – współczynnik uwzględniający warunki pogodowe, równy 0,8 dla deszczu.

Page 45: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

45

Przekrój wiązki przewodowej; R – promień wiązki, Rz – promień równoważny, re – promień zastępczy wiązki, r = 0,5 d – promień przewodu wiązki

Ne R

NrRr =

Page 46: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty jaStraty jałłoweowe

46

Obrazy natężenia pola elektrycznego w otoczeniu fazy środkowej jednotorowej linii 400 kV dla liczby przewodów w wiązce N = 1, 2, 3,

Page 47: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty dodatkoweStraty dodatkowe

47

Straty jałowe to straty wywołane zjawiskiem:

straty w powłokach, pancerzach i żyłach powrotnych kabli

straty w przewodach odgromowych

Page 48: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

3. Wpływu odbiorników nieliniowych na straty w elementach sieci

48

Page 49: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

WprowadzenieWprowadzenie

49

• Stosowanie odbiorników nieliniowych w sieciach elektroenergetycznych skutkuje odkształceniem od sinusoidy przebiegów napięć i prądów

• Wpływa to między innymi na zwiększenie strat mocy i energii w elementach sieci: – liniach– transformatorach

Page 50: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

WprowadzenieWprowadzenie

50

• Dodatkowe straty mocy w liniachspowodowane są:– wzrostem rezystancji przewodów linii przy przepływie

prądów wyższej częstotliwości– obciążeniem przewodu neutralnego harmonicznymi

rzędu o krotności trzy – harmoniczne potrójne

• Dodatkowe straty mocy w transformatorach spowodowane są prądami wirowymi powstającymi wskutek oddziaływania strumienia rozproszenia w:– przewodach uzwojeń– elementach konstrukcyjnych transformatora

Page 51: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w liniach

51

• Przepływ prądu w czteroprzewodowej linii niskiego napięcia skutkuje wystąpieniem strat mocy ∆PL

LNLFL PPP ∆+∆=∆

( ) FLLLLF RIIIP 23

22

21 ++=∆

NNLN RIP 2=∆gdzie:

IL1, IL2, IL3 –wartości skuteczne prądów w przewodach fazowych,

RF – rezystancja przewodu fazowego,

IN – wartość skuteczna prądu w przewodzie neutralnym,

RN – rezystancja przewodu neutralnego.

Page 52: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w liniach

52

• Powyższe zależności pozostają słuszne również dla odkształconych przebiegów prądów

• Wartości skuteczne prądów określone są następująco:

gdzie:

Ifi – wartość skuteczna i-tej harmonicznej prądu w przewodach fazowych,

Ini – wartość skuteczna i-tej harmonicznej prądu w przewodzie neutralnym.

∑∞

=

=1

2

iFiF II ∑

=

=1

2

iNiN II

Page 53: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w liniach

53

• Analizując wpływ prądów odkształconych na straty mocy należy uwzględnić wzrost rezystancji przewodów wskutek zjawiska naskórkowości i efektu zbliżenia przewodów

• Wzrost rezystancji RAC przewodu linii niskiego napięcia przy przepływie prądu przemiennego, w odniesieniu do rezystancji RDC przewodu przy przepływie prądu stałego wynosi:

gdzie:

xs(n) – współczynnik określający wpływ zjawiska naskórkowości,

xsp(n) – współczynnik określający wpływ efektu zbliżenia przewodów,

n – rząd harmonicznej.

( ) ( )nxnxRR

sps ++=1DC

AC

Page 54: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w transformatorach

54

• Straty w transformatorach są sumą strat jałowych i strat obciążeniowych

• Straty jałowe są niezależne od obciążenia transformatora. Straty obciążeniowe ∆PT można przedstawić jako sumę strat podstawowych ∆PTPi strat dodatkowych ∆PTD:

– Straty podstawowe – wydzielanie ciepła w uzwojeniach transformatora przy przepływie prądu obciążeniowego

– Straty dodatkowe – wywołane prądami wirowymi w przewodach uzwojeń i innych elementach konstrukcyjnych transformatora - powstającymi wskutek oddziaływania strumienia rozproszenia

TDTPT PPP ∆+∆=∆

Page 55: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w transformatorach

55

• Współczynnik wzrostu strat obciążeniowych KO można wyrazić zależnością:

• Jeżeli założyć, że stosunek β strat dodatkowych do podstawowych wynosi:

TDTP

TDTP

T

ToO PP

PKPPPK

∆+∆∆⋅+∆

=∆∆

=

TP

TD

PP

∆∆

=ββ+β⋅+

=1

1 KKOto

∑∞

= ⎥⎥⎦

⎢⎢⎣

⎡⋅⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

1

22

ii

i nIIK

Page 56: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w modelowej sieci nn

56

Układ modelowy:• transformator SnT = 100 kVA,• napowietrznej linii nN

– długość L =12 × 50 m– przewody typu AsXSn 4×50 mm2

• obciążenie takiej samej mocy i charakterze (Iobc = 6 A)

Page 57: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w modelowej sieci nn

57

Zależność rezystancji przewodu izolowanego typu AsXSn oraz przewodu gołego typu AL od

częstotliwości płynącego prądu

Page 58: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w modelowej sieci nn

58

Page 59: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Przebiegi prądów obciążenia

59

Wariant 1

Wariant 2 Wariant 3

Wariant 4 Wariant 5 Wariant 6

Wariant 7 Wariant 8 Wariant 9

( file 1v 4.pl4; x-var t) c:TKA -X0001A 0 10 20 30 40[ms]

-9,0

-4,5

0,0

4,5

9,0[A]

(f ile prady .p l4 ; x-v ar t) c :X0021A-X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A]

(fi le prady .pl4; x -v ar t) c:X0021A -X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A ]

(f ile prady .pl4 ; x-v ar t) c:X0021A-X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A ]

(f ile prady .p l4 ; x-v ar t) c :X0021A-X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A]

(fi le prady .pl4; x -v ar t) c:X0021A -X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A ]

(f ile prady .pl4 ; x-v ar t) c:X0021A-X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A]

(f ile prady .p l4 ; x-v ar t) c :X0004A-X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-12

-6

0

6

12[A]

(fi le prady .pl4; x -v ar t) c:X0004A -X0026A 0 10 20 30 40[ms]

-15,0

-7,5

0,0

7,5

15,0[A]

Page 60: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Wyniki obliczeń strat mocy w linii

60

W‐1H1

W‐2H1, H3

W‐3H1, H5

W‐4H1, H7

W‐5H1, H9

W‐6H1, H11

W‐7H1, H13

W‐8H1‐H13

W‐9H1‐H13

Suma strat mocy 2250,37 2875,99 2250,73 2251,93 2878,15 2255,41 2257,65 2368,29 3147,95

Suma strat mocy w przew. n. 0,03 639,88 0,10 0,16 746,48 0,29 0,36 119,73 919,52

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

3500,00

Straty mocy, W

• Całkowite straty mocy w linii nNoraz straty mocy w przewodach neutralnych w wariantach W1-W9

Page 61: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Wyniki obliczeń strat mocy w linii

61

• Całkowite straty mocy w linii nN wywołane poszczególnymi prądami harmonicznymi w wariantach W-8 i W-9

SUMA H1 H3 H5 H7 H9 H11 H13

THD = 14,37% 2368,29 2204,83 158,74 2,51 0,76 0,82 0,35 0,29

THD = 51,33% 3147,95 1781,00 1208,58 118,61 21,21 13,78 3,39 1,38

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

3500,00

Straty mocy, W

Page 62: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Wyniki obliczeń strat mocy w transformatorze

62

• Wartości współczynnika KO dla analizowanych wariantów obciążenia

W‐1H1

W‐2H1, H3

W‐3H1, H5

W‐4H1, H7

W‐5H1, H9

W‐6H1, H11

W‐7H1, H13

W‐8H1‐H13

W‐9H1‐H13

1,000 1,073 1,219 1,438 1,730 2,094 2,532 1,019 1,328

0,000

0,500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

K 0 [‐]

Page 63: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Wnioski

63

• Należy zwrócić uwagę na fakt, że różne czynniki wpływają na wielkość zmian strat mocy w liniach i w transformatorach.

– W liniach najistotniejsze są straty wywołane harmonicznymi o krotności rzędu 3.

– Natomiast w transformatorach straty dodatkowe silnie zależą od stopnia odkształcenia prądu – można wskazaćna harmoniczne wyższych rzędów, jako głównąprzyczynę wzrostu strat dodatkowych.

Page 64: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

4. Straty w pozostałych elementach siecii instalacji

64

Page 65: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w kondensatorachStraty w kondensatorach

Straty w bateriach kondensatorów

65

∆PCj – całkowite straty jednostkowe w baterii kondensatorów [W/kvar]Qj – moc baterii kondensatorów [kvar]

jCjC QPP ⋅∆=∆

Rodzaj baterii kondensatorów

Bateria kondensatorów

bez rezystorów

rozładowczych

łącznie z

rezystorami

rozładowczymi

łącznie z

bezpiecznikami,

stycznikami,

kablami

w układach z

dławikami

ochronnymi

Straty mocy czynnej [W/kvar]

Na niskie napięcie nn (do 1 kV) ≤ 0,2 < 0,7 < 2,5 < 7

Na średnie napięcie SN (do 30 kV) ≈(0,07 – 0,25)

Page 66: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w licznikach energii elektrycznejStraty w licznikach energii elektrycznej

66

Straty w licznikach:

feeffeefliczn PnPnPnPnP 32321111 ∆+∆+∆+∆=∆

gdzie: ∆P1f – straty mocy w liczniku indukcyjnym jednofazowym, ∆P3f – straty mocy w liczniku indukcyjnym trójfazowym, ∆P1fe, – straty mocy w liczniku elektronicznym jednofazowym, ∆P3fe – straty mocy w liczniku elektronicznym trójfazowym, n1 – liczba liczników indukcyjnych jednofazowych, n3 – liczba liczników indukcyjnych trójfazowych, n1e – liczba liczników elektronicznych jednofazowych, n3 – liczba liczników elektronicznych trójfazowych.

Liczniki energii elektrycznejStraty mocy czynnej [W/licznik]

jednofazowe trójfazowe

Liczniki indukcyjne (3,2 – 3,4) 7,2

Liczniki elektroniczne (0,8 – 1,1) (1,0 –1,2)

Page 67: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty w przyStraty w przyłąłączach i WLZczach i WLZ

??? – duży problem – szacunkowo:

67

∆Ep – straty energii w przyłączach∆Ewlz – straty energii w WLZE – energia przepływająca przez przyłącze i WLZ

E,Ep 0030=∆

E,Ewlz 0030=∆

Page 68: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w bezpiecznikach

68

0

10

20

30

40

50

60

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650Prąd znaminowy wkładki, [A]

Stra

ty m

ocy,

[W]

WTN 00 gFWTN 1 gFWTN 00 gGWTN 1gGWTN 2 gGWTN 3 gGBu_WtoBm_Wto

Page 69: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w bezpiecznikach

69

0

20

40

60

80

100

120

140

PBG 00 PBG 00-3 PBN 1 PBN 1-3 PBN2 PBN 2-3 PBN 3

Typ podstawy bezpiecznikowej

Stra

ty m

ocy,

[W]

Page 70: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Straty mocy w zestykach

70

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

Prąd płynący przez złącze, [A]

Stra

ty m

ocy,

[W]

złącze Cu-Cu

złącze AlCu-ALCu

złącze Cu-Al Cu-AL

złącze Al-Al

Page 71: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Sprzęt informatyczny

71

6 komputerów, 12 monitorówWielkość Stand by ObciążenieWartość skuteczna napięcia, V 227,6 227,2Wartość skuteczna prądu, A 1,50 2,18Współczynnik THD prądu, % 138 155Moc czynna, W 188 280Moc bierna przesunięcia, VAr 62 72Moc bierna odkształcenia, VAr 280 399Moc pozorna, VA 343 492Współczynnik mocy, — 0,50 0,56Współczynnik mocy pierwszych. harmonicznych, — 0,95 0,96

Page 72: EFEKTYWNE UŻYTKOWANIE ENERGII ELEKTRYCZNEJ · 2013. 3. 4. · Straty mocy i energii Straty mocy i energii to potrzeby własne składowych elementów sieci elektroenergetycznych w

Dziękuję za uwagęi zapraszam do dyskusji

72