1

Laboratorium Elektroenergetyki

mgr inż. Mariusz Benesz

STUDIA PODYPLOMOWE:

ENERGETYKA JĄDROWA WE WSPÓŁCZESNEJ

ELEKTROENERGETYCE

2

Co to jest TWN?

Technika Wysokich Napięć (TWN) jest dziedziną Elektrotechniki, obejmującą grupy zagadnień wynikających z zastosowań wysokiego napięcia w:

wytwarzaniu, przesyle i rozdziale energiielektrycznej, tzn. w elektroenergetyceinnych niż elektroenergetyka obszarach naukii techniki, jak np. w medycynie, fizyce, przemyśle itp.

2

3

Zasadnicze grupy zagadnień TWN

W problematyce wysokonapięciowej wyróżnia się trzy zasadnicze grup zagadnień:

zagadnienia wytrzymałości elektrycznejzagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowejzagadnienia techniki probierczo-pomiarowej

4

Zagadnienia wytrzymałości elektrycznej

W tej grupie zagadnień rozpatrywane są zjawiska zachodzące w dielektrykach pod wpływem pola elektrycznego:

procesy jonizacyjneelektryzacja cząstek dielektrykaprzemieszczanie się ładunków i cząstek dielektryka

Przedmiotem rozważań są warunki powstawania i rozwoju tych zjawisk, mogące prowadzić do tzw. wyładowania zupełnego(utraty własności izolacyjnych), a celem tych rozważań jest dobór optymalnych parametrów układu izolacyjnego.

3

5

Zagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej

W tej grupie zagadnień rozpatrywane są zjawiska zachodzące w układach elektroenergetycznych, w wyniku których powstają narażenia eksploatacyjne układów izolacyjnych w postaci przepięć.

Przepięcie – niezamierzony eksploatacyjnie wzrost napięcia ponad najwyższe dopuszczalne napięcie robocze.

zewnętrzne – źródła tych przepięć pozostają pozasystemem elektroenergetycznym; ponieważpodstawowym źródłem są wyładowania atmosferyczne,przepięcia te noszą również nazwę przepięćatmosferycznych (piorunowych)wewnętrzne – źródła tych przepięć tkwią w systemieelektroenergetycznym

Podstawowe rodzaje przepięć:

6

Zagadnienia przepięć i ochrony przeciwprzepięciowej

Ochrona przeciwprzepięciowa należy obecnie do szczególnie intensywnie rozwijanych obszarów.

eliminujące – nie dopuszczające do powstawaniaprzepięć, jest to tzw. ochrona odgromowaredukujące – łagodzące wartość szczytową i stromośćnarastania przebiegu przepięcia

Stosowane środki i sposoby ochrony przeciwprzepięciowejmożna ogólnie sklasyfikować na dwie podstawowe grupy:

4

7

Zagadnienia techniki probierczo-pomiarowej

Technika probierczo-pomiarowa służy do badania zjawisk wytrzymałościowych i przepięciowych.

wytwarzanie i wykorzystanie wysokich napięćprobierczych przemiennych, udarowych i stałychrejestracja i pomiary napięć probierczych (np. napięćudarowych o czasach narastania od nanosekund domikrosekund i wartościach szczytowych do kilku MV) –jest to obecnie intensywnie rozwijany obszar dziękinowym możliwościom, jakie oferuje mikroelektronikai technika komputerowa

Podstawowe grupy problemów to:

8

Zastosowanie WN w elektroenergetyce

Dostarczyć linią elektroenergetyczna L do punktu odbioru O, moc wytwarzaną w generatorze G

Jakie wybrać napięcie znamionowe generatora (linii)?

G

~ LO

moc Pcosϕ

długość linii l

U = ???

5

9

Im większe napięcie, tym prąd mniejszy ...

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

10

Jakie będą straty mocy w linii?

(1) Moc przesyłana:

ϕ= cos3UIP

(2) Prąd w przewodzie linii:

ϕ=

cos3UPI

(3) Straty mocy:

lRIP 023=Δ

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

6

11

Jakie będą straty mocy w linii?

(4) Podstawiając (2) do (3):

lRU

PP 0

2

cos33 ⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

ϕ=Δ

(5) Rezystancja przewodu:

20 rl

sllR

πρ

=ρ

=

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

12

Jakie będą straty mocy w linii?

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

%100cos 222 ⋅⋅

πρ

⋅ϕ

=Δ

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:

7

13

Przykład

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

14

Przykład

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 zasadnicze trudności w budowie takiej linii :-))

Wniosek:

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

22 ≈⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅⋅⋅π

8

15

Przykład

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

16

Przykład

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 mniejszą gęstość

Wniosek:

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

22 ≈⎥⎦⎤

⎢⎣⎡⋅⋅⋅π

9

17

Rozwiązanie problemu ...

Należy zastosować TRANSFORMATOR !!!

G

~ LO

T

UL UH

18

Transformatory blokowe (generatorowe)

Transformator blokowy11/420 kV, 154 MV·A

10

19

Transformatory sieciowe WN i NN

Transformator sieciowy400/110 kV, 250 MV·A

Auto transformator sieciowy jednofazowy750/400 kV, 417 MV·A

20

Transformatory rozdzielcze dużej mocy

11

21

Transformatory rozdzielcze małej i średniej mocy

Słupowa stacja transformatorowa SN/0,4 kVz transformatorami do 630 kV·A

22

Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych

ŚRODOWISKOWE

WARUNKI EKSPLOATACJIukładów elektroenergetycznych

SYSTEMOWE

fizyczne

chemiczne

biologiczne

napięciowe

prądowe

12

23

Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych

24

Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych- narażenia napięciowe

13

25

Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych- narażenia napięciowe

26

Warunki eksploatacji uk. elektroenergetycznych- narażenia napięciowe

14

27

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia przemiennego

Do wytwarzania napięć probierczych przemiennych służą zespoły probiercze, które składają się z trzech podstawowych członów:

Zasilającego (sieć zasilająca lub generator), Regulacyjnego (TR), Probierczego (TP).

Człon zasilający Człon regulacyjny Człon probierczy

Napięcie znamionowe [Un], Moc znamionowa [Pn], Napięcie zwarcia [Uz], Moc zwarciowa [Pz].

Podstawowe parametry zespołu to:

Up

28

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia przemiennego

Człon regulacyjny powinien: Zapewnić odpowiednią płynność podnoszenia napięcia, Zapewnić odpowiednią prędkość podnoszenia napięcia.

Regulacja drobnymi skokami nie powinna przekraczać 0,5% wartości napięcia probierczego. Większe skoki mogą powodować zakłócenia przepięciowe. Wymaga się aby prędkość podnoszenia napięcia probierczego nie była mniejsza od 2% Up/s.

Urządzenia służące do regulacji napięcia: Transformatory regulacyjne ze szczotką przeskakującą ze zwoju na zwój, Transformatory Thoma, Transformatory z przesuwanym rdzeniem, Przetwornice elektromaszynowe.

15

29

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia przemiennego

Budowa transformatorów probierczychUzwojenie pierwotne, Uzwojenia wysokiego napięcia (warstwowe bądź cewkowe), Uzwojenie kompensacyjne, Kadź wykonana z tulei izolacyjnej bądź z metalu.

30

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia przemiennego

Układy połączeń transformatorów probierczych: Symetryczny, Niesymetryczny (w zależności od sposobu ich zasilania):

• szeregowy, • kaskadowy,• równoległo – kaskadowy.

W układzie symetrycznym stosowanym do badania izolacji międzyfazowej, obydwa bieguny uzwojenia wysokiego napięcia transformatora są wyprowadzone, a środek uzwojenia uziemiony lub nieuziemiony lecz połączony z rdzeniem lub obudową.

W układzie niesymetrycznym stosowanym do badania izolacji fazowej, jeden biegun uzwojenia wysokiego napięcia transformatora jest wyprowadzony, a drugi połączony z rdzeniem, obudową i uziemiony.

16

31

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia przemiennego

Schemat połączenia kaskadowego dwóch transformatorów probierczych, tzw. 2-stopniowakaskada transformatorów probierczych 250 kV

32

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia stałe

Wysokie napięcia stałe stosowane w przypadkach:

Pracy izolacji przy napięciu stałym, Pracy izolacji przy napięciu przemiennym, Prób diagnostycznych urządzeń w eksploatacji, Współpracy ze źródłami innych napięć (piorunowych, łączeniowych, generatorów prądów udarowych)

Współczesne wysokie napięcia stałe otrzymuje się przede wszystkim na drodze prostowania napięcia przemiennego. Układ taki składa się z zespołu probierczego napięcia przemiennego i zespołu prostowników wysokiego napięcia i filtrów.

17

33

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia udarowe

Napięcia udarowe odwzorowują w warunkach laboratoryjnych dwa rodzaje przepięć:

przepięcia atmosferycznewywołane są uderzeniami piorunaodznaczają się krótkimi czasami narastania do 20 μs, dużymi wartościami szczytowymi i czasami trwania do kilkuset mikrosekund

przepięcia wewnętrzne szybkozmienneodznaczają się czasami narastania powyżej 20 μs i czasami trwania kilka tysięcy mikrosekund

34

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia udarowe

Zasady wyznaczanie czasów charakterystycznych

18

35

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia udarowe

Oscylogram udaru piorunowego

Czoło udaru Grzbiet

36

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia udarowe

JEDNOSTOPNIOWY GENERATOR UDARÓW NAPIĘCIOWYCH

TrWN – transformator podwyższający napięciePr – prostownikRo – opornik ładującyCo – pojemność głównaI – iskiernik włączającyR1 – opornik tłumiącyRo – opornik rozładowczyC2 – pojemność izolacji obiektu badanego (+ ew. pojemność dodatkowa)

19

37

Źródła probiercze wysokich napięć- napięcia udarowe

WIELOSTOPNIOWY GENERATOR UDARÓW NAPIĘCIOWYCH

R'o – opornik ładujący międzystopniowyI – iskiernik międzystopniowy

38

Pomiary wysokich napięć

W czasie prób układów izolacyjnych napięciami probierczymi przemiennymi, stałymi oraz udarowymi należy mierzyć wartość napięcia oraz inne związane z nim parametry takie jak:

Napięcie przemienne np. wartość skuteczna i maksymalna napięcia probierczego, Napięcie stałe np. wartość średnia, maksymalna, pulsacja, Napięcia udarowe np. wartość maksymalna udaru.

Metoda bezpośrednia, Metoda pośrednia.

Metody pomiaru wysokiego napięcia stałego i przemiennego można podzielić na dwie zasadnicze grupy:

20

39

Pomiary wysokich napięć- metoda bezpośrednia

Pomiary za pomocą woltomierzy elektrostatycznych, Pomiary za pomocą iskierników kulowych.

W metodach bezpośrednich do elektrod urządzenia pomiarowego doprowadza się pełną wartość napięcia mierzonego. Do tych metod zalicza się:

40

Pomiary wysokich napięć- metoda pośrednia

Dzielniki, Kondensatory, Oporniki szeregowe, Przekładniki napięciowe, Przetworniki optoelektroniczne.

W metodach pośrednich zwykle stosuje się nowoczesne urządzenia pomiarowe, oparte na układach elektronicznych, które przyłączonesą do obwodu probierczego tylko za pośrednictwem elementów obniżających mierzoną wartość w ściśle określonym stosunku (przekładnia), do poziomu napięcia urządzenia pomiarowego. Takimi elementami są:

21

41

Pomiary wysokich napięć- pomiary laboratoryjne i w elektroenergetyce

Pomiary laboratoryjneMetoda iskiernika kulowego, Metoda prostownika z kondensatorami szeregowymi, Woltomierze elektrostatyczne, Dzielniki napięciowe.

Pomiary w elektroenergetycePrzekładniki napięciowe, Przekładniki kombinowane.

42

Pomiary wysokich napięć- pomiary laboratoryjne i w elektroenergetyce

Pojemnościowe przekładniki napięciowe na wejściu linii 400 kV do rozdzielni (w tyle widoczne są odgromniki zaworowe)