REŽIMI RADA

ELEKTROENERGETSKOG SISTEMA Uvod Elektroenergetski sistem može se nalaziti u jednom od slijedećih režima rada:

• normalan, • poremećeni i • havarijski

Normalni režim rada je kada se parametri sistema u svim tačkama nalaze unutar propisanih granica. Poremećeni režim rada EES-a je kada pojedini parametri odstupaju van propisanih granica. To obuhvata: odstupanja napona, frekvencije, preopterećenosti elemenata sistema, gubitak stabilnog rada sistema. Od uređaja bitnu ulogu imaju uređaji automatike: automatska regulacija, automatsko uključenje rezerve, automatska regulacija napona, automatsko frekventno rasterećenje. Havarijski režim rada nastupa nakon pojave kvara u EES-u. Bitnu ulogu igraju uređaji relejne zaštite, a nakon isključenja uređaji automatike u svrhu održanja sistema. NORMALNI REŽIM RADA EES-a Za normalni režim rada EES-a smatra se režim u kojem:

• odstupanje napona na mjestu potrošača načazi se unutar deklarisanih granica ( preporučeni +5%, dozvoljeni +10%),

• odstupanje frekvencije iznosi unutar 1%, a preporučeno 0,2%. • strujna opterečenja, pritisci, temperature ili drugi parametri se nalaze u granicama

trajno dozvoljenih vrijednosti. Svaka promjena u EES-u kao što je uključenje ili isklučenje osnovnih elemenata EES-a (generator, transformator, vod potrošač) ima za posljedicu narušavanje balansa proizvodnje i potrošnje, promjenu tokova aktivne i reaktivne energije, izmjenu parametara EES-aa time i promjenu padova napona i frekvencije sistema. U održavanju normalnog režima rada osnovnu ulogu imaju:

• pravilno planiranje razvoja EES-a da ne dođe do nastanka „slabih tačaka“ u proizvodnom, prenosnom i distributivnom dijelu EES-a.

• pravilno projektovanje (dimenzioniranje) prenosnih i distributivnih vodova, transformatora tako da obezbijedi kontinuitet napajanja potrošača kako u normalom tako i havarijskom reimu.

• Automatska regulacija napona u elektranama, transformatorskim stanicama i mreži, • automatska regulacija frekvencije u elektranama i regulacijasnage razmjene između

pojedinih dijelova sistema. Planiranje razvoja EES-a obuhva:

• pravilno i pravovremeno planiranje, • organizacija istraživanja, projektovanja i izgradnja potrebnih elektroenergetskih

objekata. Planiranje razvoja EES-a se uslovno kvalificira na :

• kratkotrajna < od jedne godine, • srednjoročna > jedne godine , a < od 8 godina, • dugoročna do 25 godina.

Za kvalitetan izbor i realizaciju varijante razvoja EES-a potrebno je raspolagati slijedećim podacima:

2

• podaci o komponentama sistema (tehnilki, ekonomski, pogonski), • podaci o strukturi, • podaci o potrošačima.

Modeli za planiranje EES-a uslovno se kvalifikuju na: • lokalni optimizacioni model, • globalni oprimizacioni model.

Lokalni optimizacioni modeli se upotrebljavaju kod: • izbora naponskih nivoa, • izbora tipa i lokacije TS, • izbora broja i snage transformatora, • izbora tipa sabirnica, • izbora tipa i presjeka vodova, • izbora tipa zaštite, • izbora kapaciteta pojedinačnih elemenata.

Pravilan izbor (dimenzioniranje) prenosnih i distributivnih elemenata ima za cilj da eliminiše preopterećenja, a time i nedozvoljena pregrijavanja kablova, vodova ili transformatora. Vodovi i transformatori normalno se dimenzioniraju na maksimalnu prognoziranu prividnu snagu koja treba da se prenese. Takođe navedeni elementi treba da su dimenzionirani i prema kriteriju pada napona čime se obezbjeđuje kvalitetan napon na mjestu potrošnje. Potrebni podaci o dozvoljenim strujnim opterećenjima: vodova, kablova, transformatora i sklopnih aparata mogu se naći u dokumentaciji pojedinih elemenata sistema. Globalni optimizacioni model omogućuje izbor strukture sistema na prostoru i vremenu da se ima maksimalna pouzdanost sistema uz minimalna ulaganja. Ovaj model podrazumijeva da sistem minimalno zadovolji kriterij „jednostrukog ispada“ to jest sistem treba da normalno radi i snabdjeva potrošače kod isključenja ili ispada bilo kojeg elementa sistema.

POREMEĆENI REŽIM RADA ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA Ovaj režim rada obuhvata strujna preopterećenja,nesimetrična opterećenja,nedozvoljeno odstupanje napona,nesimetrične naponi,suprotne smjerovi aktivne i reaktivne energije,nenormalne uslove upuštanja motora,nedozvoljene temperature elemenata sistema.Poremećeni režim kompletnog elektroenergetskog sistema obuhvata:smanjenje frekvencije,gubitak stabilnog rada sistema uz pojave oscilacija struje,napona i snage uz opasnost od raspada sistema. Strujno Preopterećenje Omski gubitci u vodičima uslovljavaju gubitke aktivne snage koja se troši na zagrijavanje vodiča i okoline.Neki elementi elektroenergetskog sistema mogu i bez opterećenja podnijeti visoku temperaturu(nadzemni vodovi), dok kod drugih (transformatori) temperatura utiče na životnu dob.Po vrsti izolacije razlikujemo materijale klase A (pamuk, drvo, papir, svila), B (staklena vlakna, azbest), H (vlakna ili folije poliamida sa silikonskim smolama). Strujno preopterećenje pojedinih elemenata EES-a je posljedica:

• ispada iz pogona generatora, transformatora ili vodova koji paralelno napajaju određeni konzum.

• neblagovremene izgradnje elektroenergetskih kapaciteta. Preostali elementi EES-a preuzimaju na sebe opterećenje što može dovesti do većeg ili manjeg preopterećenja pojedinih elemenata . Takođe uslijed sniženog napona motora može doći do preopterećenja istog. Zbog određenog toplinskog kapaciteta elementa koji se pregrijava ne zahtijeva se brzo isključenje štićenog objekta. U tu svrhu se koristi termička

3

zaštita ili kombinacija raznih strujnih zaštita da se postigne vremenski strujno zavisna karakteristika. t = τ ln(I2-Ip

2)/ (I2-kIn2)

gdje su: τ- vremenska konstnta zagrijavanj u minutama, I- struja štićenog objekta,

Ip- prethodno opterećenje štićenog objekta, kIn- podešena proradnastruja u odnosu na nominalnu, In- nominalna struja.

Ovdje se može uočiti da se kod termičkih releja temperatura štićenog objekta određuje na osnovu struje koja teče kroz objekat. Danas se u namote motora, generatora ili transformatora ugrađuju termistori tako da se temperatura može direktno mjeriti na bazi vrijenosti otpornika. Poželjno je da zaštita alarmira kada se pojavi određeno preopterećenje, a ako temperatura i dalje nastavi rasti ima se prag isključenja, odnosno zaštita objekta od oštećenja. Nesimetrično opterećenje Nesimetrije u sistemu su posljedica:

• pregaranja strujnih mostova na dalekovodima, • kvarova na mehanizmima rasklopnih aparata, pri čemu jedna faza ostaje trajno u

prekidu, • neuspjelog jenopolnog automatskog ponovnog uklopa (APU), • prekida ili slabljenja spojeva na transformatorima, vodovima i potrošačima.

Nesimetrija je posebno štetna za sinhrone generatore i motore, asinhrone motore radi pojave inverzne komponente struje. Inverzna komponenta izaziva inverzno magnetno polje koje rotira sinhronom brzinom u suprotnom smjeru u odnosu na rotor, indukuje u njemu dodatne struje i povećava gubitke u željezu statora, što može dovesti do oštećenja generatora ili motora. Za ilustraciju prikazuje se rad generatora priklučenog samo putem dvije faze i transformatora sa neuzemljenim zvjezdištem. Ukoliko bi zvjezdište transformatora bilo uzemljeno javila bi se kod monofaznog rada , nulta komponenta struje koja je nepoželjna , jer teče kroz zemlju duž voda i uzrokuje indukovanje napona na TT vodovima( loš signal ili nemoguć rad TT uređaja).U ovom slučaju primjenjuju se strujni releji priključeni na filtere inverzne komponente struje ili nulte komponente struje. U normalnom pogonu dozvoljava se nesimetrija struje reda 5%In zbog neizbježnih nesimetričnih potrošača ili parametara sistema. Kod velikih vrijednosti potrebno je da djeluje zaštita na signal i/ili isključenje.

G

R

T

S

TransformatorGenerator Protrošač

slika:prikaz prekida u fazi S

4

Nedozvoljena Odstupanja Napona Naponi veći od maksimalno dozvoljenog pogonskog napona posljedica su:

• kvara u sistemu regulacije napona, • prekompenzacija reaktivne energije.

Preniski naponi posljedica su pomanjkanja jalove snage u sistemu ili prevelikih padova napona na slabo dimenzioniranoj mreži u periodu vršnih opterećenja. Previsoki naponi opasni su jer pofačano naprežu izolaciju postrojenja i ugrožavaju termičke potrošače. Previsoki naponi uzrokuju preopterećenja asinhronih motora, smanjuju efikasnost termičkih potrošača i uzrokuju neadekvatan rad automatske regulacije u industrijskim procesima. Nadnaponska zaštita izvodi se uglavnom u elektranama, a u transformatorskim stanicama nešto rjeđe. Sniženje napona ispod određene granice ( naprimjer 0,8Un) može uzrokovati takozvanu „lavinu napona“ čime dolazi do povećane potrošnje jalove energije. Ukoliko se ne bi primijenila podnaponska zaštita moglo bi doći do raspada EES-a. Podnaponska zaštita u postrojenjima sa motornim pogonima omogućava samoupuštanje motora bitnih za tehnološki proces na račun isključivanja manje važnih motora. Podnaponska zaštita bitna je u postrojenjima sa motornim pogonima,kako bi se omogućio nesmetan rad i upuštanje istih sa ciljem zadovoljavanja tehnološkog procesa. Kod upuštanja motora normalno je da dođe do pada napona u pogonu,te o tome treba voditi računa kod realizacije redoslijeda uključivanja većih potrošača. Zbog nesimetričnih napona pojavljuje se inverzna komponenta napona u sistemima sa kruto uzemljenim zvjezdištem i nulta komponenta napona.Adekvatno tome ima se inverzna i nulta komponenta struje.Inverzna komponenta napona i u malom procentu može uzrokovati znatan porast inverzne komponente struje zbog manjeg otpora kod sinhronih i asinhronih motora.Kao zaštita primjenjuju se releji inverzne komponente napona. Suprotan Smjer Aktivne i Reaktivne Snage Normalni režim rada elemenata elektroenergetskog sistema karakteriše se sa određenim smjerom aktivne i reaktivne snage.

normalni rad gubitak pogonskesnage

gubitak uzbude

jQ

P

S

jQ

P

S

jQ

P

slika:uporedba režima rada

S

Odstupanje od toga ukazuje na poremećenost režima. Karakterističan primjer je rad generatora koji u normalnom režimu daje aktivnu i reaktivnu snagu u mreži.

5

Promjenjen smjer npr.aktivne snage pokazuje da je smanjen dovod pogonskog fluida turbine,što je posebno opasno za turbinu.Promjenjen smjer reaktivne snage ukazuje na gubitak uzbude pri čemu generator radi na mreži kao asinhroni generator što može biti opasno po stator i rotor generatora.

normalni režim rada

VN

SN

VN

SN

Nenormalansmjer

energije

prekid

Promjena smjera energije u transformatorskoj stanici VN/SN ukazuje na ispad vodova i transfer energije od SN ka VN mreži.Kao zaštita mogu se uspješno koristiti dovoljno osjetljivi releji aktivne i reaktivne snage.

6

Također mogu i usmjerene prekostrujne zaštite.Zaštita treba da djeluje sa vremenskim zasićenjem,iz razloga što tokom manipulacija sa rasklopnim aparatima može da se kratkotrajno pojavi suprotan tok energije. Nenormalni Uslovi Upuštanja Motora U normalnim režimima rada proces upuštanja motora praćen je strujnim udarima reda (3÷6)In

u trajanju od (0,5÷10)sec. Može trajati i duže, što zavisi od vrste motora. Ukoliko je napon kod upuštanja motora suviše nizak, ili ukoliko drugi uslovi kod upuštanja nisu zadovoljeni, dolazi do nenormalnih uslova upuštanja. Najgori slučaj je tzv.ukočeni rotor, gdje je struja jednaka struji kratkog spoja. U slučaju drugih poremećaja zalet može trajati duže od dozvoljenog vremena. Kao kriterij za djelovanje zaštite služi povećana struja zaleta motora. Prekomjerna Temperatura Elemenata Elektroenergetskog Sistema Prekomjerna temperatura je posljedica struje preopterećenja(termički prekostrujni releji)

Ispadi pumpi i ventilatora za prinudno hlađenje Začepljenje kanala ili cijevovoda za rashladni medij Previsoka temperatura rashladnog medija Nedostatak podmazivanja,itd.

Da bi se spriječio nedozvoljen porast temperature na vitalnim dijelovima sistema,postavljaju se temperaturne sonde (Pt 100 u opsegu 0÷139 oC,mjenja otpor 100÷149,8 Ω) ili poluprovodničke sonde kod kojih se naglo mjenja otpor iznad određene temperature. Na ovaj način realizira se zaštita, kod određene temperature signalizira se opasno pogonsko stanje,a kod daljnjeg porasta se isključuje štićeni objekat. Smanjenje Frekvencije Smanjenje frekvencije ukazuje na nedostatak aktivne snage sistema,tj. na veću potrošnju od proizvodnje.Također je poznato da sa padom frekvencije smanjuje se i potrošnja (samoregulacija). Ukoliko u sistemu nema rotirajuće rezerve dolazi do daljnjeg pada frekvencije,što može dovesti čak i do rspada sistema. Podatak o frekvenciji dobija se mjerenjem iz napona.Ugradnjom podfrekventnih releja može se dobiti automatsko podfrekventno opterećenje (AFR).Releji su višestepeni i imaju podešenja npr.49,2;48,8;48,4 Hz itd. Kada se frekvencija u sistemu normalizuje,uključuju se potrošači,uz saglasnost dispečerske službe.Isto je moguće i automatskim uređajima uključiti potrošače.Opterećenje sistem može se prikazati kao:

4

4

3

3

2

21

+

+

+

+=

nnnn

ooptf

fP

f

fP

f

fP

f

fPPP

7

gdje su:

oP potrošači neosjetljivi na promjenu frekvencije (sijalice,termički potrošači i

potrošači priključeni na ispravljače)

1P alatne mašine (strugovi,dizalice,transportne trake i dr.)

2P gubitci u željezu uslijed struja magnetiziranja

3P centrifugalne pumpe i ventilatori malog pritiska

4P isto kao 3P ,samo velikog pritiska.

Nestabilni Rad Sistema Za elektroenergetski sistem se kaže da je u stabilnom režimu rada ukoliko su svi sinhroni generatori međusobno u sinhronizmu i kada se kod promjenjenog režima rada ugao elektromotorne sile generatora poveća sa porastom opterećenja,a smanji sa snižavanjem opterećenja. Pri tome kod promjena nastaju oscilacije među generatorima koji su paralelno vezani preko impedanse.Snaga koju prenose generatori preko impedanse Z data je izrazom:

δsinZ

UUP BA=

UA , UB elektromotorna sila generatora koji paralelno napajaju konzum, Z je ekvivalentna impedansa spojnih vodova i transformatora, δ je ugao između UA i UB .

8

normalanrad

δ

P

o180o90 o120

granicadinamičkestabilnosti

granica statičkestabilnosti

slika: zavisnost aktivne snage o uglu

Ako se operećenje generatora povećava,ugao δ raste do 90o.Porastu ugla odgovara

porasta snage,tj. sistem je stabilan i ugao o90=δ predstavlja granicu tzv. statičke

stabilnosti. Ako se prekorači 90o,porastu ugla odgovara smanjenje snage,tako da dolazi do gubitka sinhronizma,pri čemu nastaje jako oscilovanje snage između generatora koji rade paralelno.

δ

P

o90

b) gubitak sinhronizmaa) njihanje

( )δfP =

9

P

t

b) gubitak sinhronizacije

a) njihanje

( )tfP = Pored oscilacija aktivne i reaktivne snage,kod njihanja,a naročito kod gubitaka sinhronizma,dolazi do jakih oscilacija struja i napona u sistemu.Za ilustraciju analizira se dvomašinski sistem:

BUδ∠

AU

M

Z

nZ (1-n)Z

BU

AU

M

δ

Z

UUI BA −

=

∠δ

I

δ( )δfI =

o180 o360

Kod ispada iz sinhronizacije, razlika napona pri o180=δ iznosi 2U, tj. struja je jednaka struji kratkog spoja na mjestu polovine spojnog voda I=2U/Z. Napon u proizvoljno odabranoj tački M jednak je:

10

( )ZInUU BM −+= 1 ,tj. ( ) BAM nUUnU +−=∠ δ1

Grafička promjena napona o uglu δ u karakterističnim tačkama data je niže:

n=1,0n=0.75;

0.25

n=0.5

δ

U

o180

Očigledno je da se u sistemu pojavljuju značajne oscilacije napona, naročito u

karakterističnim tačkama (n=0.5) gdje kod svakog prolaza o180=δ napon pada na nulu.

U

t

normalanrežim rada

gubitak sinhronizma

Dakle,oscilacije, a naročito gubitak sinhronizma među dijelovima elektroenergetskog sisitema pojavljuje se kada su relativno moćni sistemi povezani slabim prijenosnim vodovima. Oscilacije struje i napona ometaju normalan rad potrošača i mogu uzrokovati u nekim slučajevima nepotrebna djelovanja zaštitnih uređaja. Osim toga ometaju i rad automatske regulacije u elektranama. U Prilogu data su razmatranja stabilnosti sistema. 9.Zahtjevi Na Uređaje Zaštite i Automatiku Sistema u Porememećenom Režimu Rada Elektroenergetskog Sistema Ovi uređaji imaju dvojaku ulogu:signaliziraju opasno stanje osoblju ili dispečerskoj službi,

Uspostavljanje normalnog režima rada (djelovanje automatske regulacije napona ili broja obrtaja,automatski ponovni uklop ispravnog voda,automatsko uključivanje rezerve,automatska regulacija frekvencije i sl.)

Isključivanje štićenog objekta u slučaju da se blagovremeno ne otkloni opasno pogonsko stanje (isključenje preopterećenih vodova,previsoka temperatura,nizak napon,niska frekvencija i sl.).Automatski regulatori napona i frekvencija imaju ulogu kod normalnog režima rada,a kod poremećenog režima pri odstupanju napona i

11

frekvencije uspostavljaju normalni režim rada.Ukoliko je debalans suviše veliki (nedostatak aktivne i reaktivne snage) doći će do daljnjeg opadanja frekvencije sistema i opasnosti od raspada sistema (lavina frekvencija) ili do sve većeg pada napona uslijed nedostatka reaktivne snage.U cilju spriječavanja raspada sistema kod deficita aktivne snage primjenjuje se višestepeno automatsko frekventno rasterećenje.

Na bazi studija određuju se frekvencije rasterećenja (npr.49,2;48,8;48,4 Hz) i snaga koju treba pojedina područja frekvencije da reduciraju.Najčešće se koriste frekventni releji sa trenutnim djelovanjem (kašnjenje oko 0,2 sec).U cilju dovođenje sistema na normalu frekvenciju može se promjeniti i drugi stepen sa vremenskim zatezanjem (5÷10 sec) ili čak (1÷3 min).Ako postoje hidroelektrane koje se mogu brzo ativirati tok frekvencije prikazan je na slici:

50

49,2

48,8

tDVA STEPENA-TRENUTNO

sa AFR

III 49,2

t

III

JEDAN STEPEN SA VIŠE T(vrijeme kašnjenja)

2t

3t

50

Kod 49,2 Hz djeluje trenutno AFR,a ako frekvencija i dalje pada,nakon vremena t2 djeluje,relej u drugom vremenskom stepenu. Ukoliko reducirana snaga nije dovoljna nakon vremena t3,djelovao bi III stepen (u konkretnom slučaju nema uslova za njegovo djelovanje).Kao kriterij djelovanja I stepena može se koristiti brzina promjene frekvencije,tj. df/dt. U stanicama bez posade i kod prioritetnijih potrošača moguće je obezbjediti automatsko ponovno uključenje potrošača.Frekvencija uključivanja uzima se od 49,6÷49,8 Hz uz vremensko zatezanje 10÷20 sec,pa i više. Pri nastanku lavine napona potrebno je da djeluje podnaponska zaštita.U industrijskim postrojenjima potrebno je izvršiti diferenciran pristup izbora proradnog napona i vremenske zadrške da bi se obezbjedilo isključenje manje važnih potrošača (od kojih ne ovisi tehnološki proces),a koji troše relativno mnogo jelove energije.Automatsko uključivanje rezerve takođe doprinosi uspostavljanju normalnog režima rada.Važniji potrošači zahtjevaju dvostruko napajanje, pri čemu su moguća dva riješenja:

Paralelno napajanje,uz uključenje oba izvora napajanja

Radijalno napajanje,uz primjenu automatike koja uključuje rezervno napajanje u slučaju nestanka ili suviše niskog napona na osnovnom izvoru napajanja.

Prednost paralelnog napajanja je mogućnost kontinuiranog napajanja i u slučaju kvara,a mana-povećanje struje kratkog spoja (kratak spoj u jednoj grani izaziva snižavanje napona u čitavoj mreži).Automatski ponovni uklop često se koristi,obzirom da je 80% kvarova na dalekovodu prolaznog karaktera. Mogućnost regeneracije vazdušne izolacije nakon preskoka na krutoj izolaciji ili preskoka odnosno proboja vazdušne izolacije,zaštita isključi vod i luk se ugasi.Nalogom zaštite za isključenje prekidača aktivira se automatski ponovni uklop koji nakon isteka podešenog

12

vremena daje nalog za uključenje prekidača.Primjenjuje se u mrežama: 400 kV-jednopolna APU(automatski ponovni uklop); 220 kV-jednopolno+tropolno; 110 kV-jednopolna+tropolno; SN mreže-brzo+sporo tropolno. Osnovna klasifikacija sastoji se u slijedećem:

Prema broju faza-jednopolno,tropolno,jednopolno+tropolno; Prema broju ciklusa-jednokratno+definitivno,dvokratno (brzo+sporo+definitivno-

trajno isključenj);

Prema trajanju-bez naponske pauze,vrlo brzo 0,2÷0,7 sec,brzo 0,7÷1,5 sec,sporo

1,5÷10 sec,vrlo sporo 10÷180 sec. Dopunski uslovi:stanje prekidača (sposobnost za uključenje),sa ili bez kontrole sinhronizma. Uslovi sinhronizacije generatra na mreži i za spajanje koje rade asinhrono putem izbora 'lovljenja' trenutka sinhronizma. Neispunjeni uslovi:

0;; ==≠ δngng ttUE

gE

nU

I

.0;; ≅≅−

=∑

RjXZZ

UEI

ng

iz IgE

nE

U∆

U slučaju da je 0,, ≠≈≈ δngng ffUE ,ima se struja aktivnog karaktera I i

izaziva jaka mehanička naprezanja.Maksimalni udari o90=δ i o270 ,a maksimalna struja je

kod o180=δ . HAVARIJSKI REŽIMI – KRATKI SPOJEVI U EES-u

I pored pravilnog planiranja, projektovanja, dimenzioniranja izolacije, redovnog održavanja i dr. nastanak kvarova na svakom elementu sistema je praktično moguć. Zbog termičkih, hemijskih i mehaničkih uticaja izolacija je izložena starenju čime dolazi do proboja i kod naprezanja neznatno većih od nominalnih. Postoje i drugi uzroci mogućih kvarova u sistemu kao što su:

• greške u materijalima od kojih su napravljeni uređaji, • kvarovi na vodovima čiji uzroci su vremenske prilike, kratki spojevi i dr, • zaprljanost površina izolacije radi aerozagađenja ( industrijske oblasi, termoelektrane,

blizina mora i dr. ), • pucanje užadi dalekovoda ili konzolnih nosača stubova ili rušenje kompletnih

stubova zbog pretjerano velikih dodatnih tereta ( snijeg, led, vjetar), • oštećenja kablova prilikom zemljanih radova, • premoštenje izolacije prvenstveno na NN i SN uređajima u rasklopnim postrojenjima

( naprimjer umoguć ulazak ptica ili životinja u RP), • pogrešne manipulacije u RP naprimjer uključenje s druge strane uzemljenog voda,

isključenje rastavljača pod teretom što rezultira nastankom električnog luka,

13

• suviše visoki iznosi ili nedozvoljeno djelovanje raznih opasnih pogonskih stanja u poremećenom režimu rada zbog zatajenja djelovanja zaštitnih uređaja ili automatike ili zbog neragiranja posade na upozorenje ( signalizacija) ovih uređaja.

Kvarovi u EES-u mogu se kvalifikovati kao: • kratki spojevi, • zemljospojevi, • kratki spojevi među zavojima iste faze, • prekide faza, • mehanička oštećenja.

Kratki spoj predstavlja i najopasniji oblik kvara. Posljedica nastanka kratkog spoja je isključenje, radi djelovanja zaštitnih uređaja, ne samo elemenata u kvaru već i drugih zdravih komponenti, te za sistem u cjelini. Osnovne štetne posljedice kvara su:

• termička razaranja na mjestu kratkog spoja uslijed električnog luka i struje koja može da bude od nekoliko ampera do 50kA. Ta energija može u kratkom roku nastaliti vodiče dalekovoda, namotaje generatora, transformatora ili motora, oštetiti magnetne dijelove aparata i dr.

• mehanička i termička naprezanja neoštećenog, zdravog sistema i svih njegovih elemenata kroz koje teče struja kratkog spoja.

• izraziti padovi napona na velikom području u okolini kratkog spoja, • kratki spojevi, posebno tropolni imaju izrazito negarivan uticaj na stabilan rad

sistema. • kod nesimetričnih kratkih spojeva pojavljuju se visoke vrijednosti inverzne i nulte

komponente kratkog spoja. Uticaj direktne i inverzne komponente struje kratkog spoja je ograničen samo na urešaje EES-a , dok nulta komponenta struje kratkog spoja se zatara preko zemlje kao povratnog voda i uzrokuje jake elektromagnetne uticaje (inducirane napone) na bliskim metalnim dijelovima.

Struja kratkog spoja se uspostavlja uglavnom putem električnog luka. Otpor luka je omske prirode i relativno je malen. Priroda električnog luka je takva da ne može doći do samogašenja bez prekida strujnog kruga, tako da je potrebno selektivno isključiti optećeni dio postrojenja. Ostale popratne pojave kratkog spoja takođe zahtijevaju što brže isključenje elemenata sistema koji su oštećeni. Vrijeme isključenja kraće od 0.1sekunde zahtijeva se na generatorima, transformatorima, motorima, pretvaračkim uređajima od trenutka pojave kvara, dok kod kvarova na dalekovodima zahtijeva se od 0.1 do 0.5 sekundi. Izuzetno se na dalekovodima SN zbog selektivnosti dozvoljava trajanje kratkog spoja reda 1 do 2 sekunde. Proboj izolacije prema uzemljenim dijelovima je čest kvar na dalekovodima i u RP. Posljedice proboja manigestuju se različito, ovisno o načinu uzemljenja zvjezdišta (neutralna tačka) mreže koje može biti:

• direktno ili kruto uzemljeno Icapat<<Iks>In ; Icapat ≅ 0.; Icapat – kapacitivna struja, Iks- struja kratkog spoja

• uzemljeno preko otpora ( omski ili induktivni)

14

Icapat<Iks< >In ;

• uzemljeno preko Petersenove prigušnice ( kompenzirana mreža),

Icapatt ≅ Iks

• izolovano zvjezdište. Icapat= 3UfWCs

.

Direktno ili kruto uzemljennje primjenjuje se u mrežama 1110, 220, 380 i više kV. Struja kvatkog spoja ovisi o odnosu nultog i direktnog otpora. Prema AIEE standarfu sistem je efikasno uzemljen ako je odnos X0/Xd<3, a odnos R0/Rd<1, za bilo koji pogonski slučaj i bilo koju snagu generatora. Ovaj sistem se primjenjuje zbog niza prednosti:

• znatno reduciran nivo komutacionih prenapona i sekundarnih posljedica atmosferskih prenapona, s tim u vezi sigurniji pogon i moguća ušteda u dimenzioniranju izolacije.

• siguran kriterij za djelovanje zaštite, • brzo eliminisanje kvara, pa prema tome i svih negativnih posljedica.

Osnovne negativne posljedice su: • svaki proboj prema zemlji izaziva ispad dalekovoda. Eliminiše se jednopolnim

ili tropolnim APU-om, • velika nulta komponenta struje izaziva neugodne uticaje na TT vodove,

opasne napone koraka i dodira, • veliki iznos struja kvara može da uzrokuje oštećenja namotaja na rotacionim

mašinana koje su direktno vezane na SN mrežu.

15

Uzemljenje putem malog otpora primjenjuje se u SN mrežama 10, 20, 35 kV, s ograničenjem struje jednopolnog kratkog spoja do 300A, za nadzemnu mrežu, a na kablovima do 1000A. Osnovne prednosti su:

• reduciranje komutacionih prenapona i negativnih posljedica od atmosferskih prenapona,

• mogućnost primjene vrlo jednostavne i selektivne zaštite (I0,t). • otklanjanje mogućnosti nastanka dvostrukih zemljospojeva, • omogućava se duži izolacioni vijek motora, transformatora i drugih

komponenti EES-a pri čemu se ograničava napon na <2,5Ufn, i dužina trajanja tranzijentnih pojava.

Osnovni nedostaci su: • kod svakog kvara nastaje prekid napajanja potrošača, • potrebna su dodatna poboljšanjauzemljenja da bi se smanio naponkoraka i

dodira ( napon dodira – 1m iznad uzemljivača stuba, napon koraka – 1m zemlje),

• rastu štetni uticaji na TT vodove. U mrežama sa uzemljenim zvjezdištem preko Petersenke, kapacitivna struja zemljospoja kompenzira se induktivnom strujom petersenke, tako da kod idealnog podešenja petersenke zemljospojna struja je približno jednaka nuli i luk se kod prolaza struje kroz nulu kod prolaznih kvarova sam od sebe gasi. Najčešće se primjenjuje u vazdušnim mrežama >15kV. Prednost je što proboj izolacije prema zemlji ne zahtijeva prekid u snabdijevanju potrošača. Kod prolaznih kvarova luk se dam od sebe gasi i uspostavlja se normalno pogonsko stanje. Kod trajnih kvarova sistem i dalje radi i pod zemljospojem, dok se ne utvrdi mjesto kvara i isti se ne otkloni. Nedostatak ovog uzemljenja je teškoća usaglašavanja induktiviteta prigušnice i kapaciteta mreže, zbog promjena uklopnog stanja u mreži. Mogu nastati znatni komutacioni prenaponi koji mogu izazvati proboj izolacije u drugoj fazi što rezultira dvopolnim kratkim spojem preko zemlje. SN mreže se najčešće izvode sa izoliranim zvjezdištem, tako da u slučaju spoja sa zemljom teku samo kapacitivne struje. Nedostatak je mogućnost pojave komutacionih prenapona što može izazvati dvostruki zemljospoj. Izolirano zvjezdište u SN i NN mrežama primjenjuje se kod napajanja potrošača u eksplozivno ugroženim prostorima (ne smije se dozvoliti pojava luka). Kratki spojevi u EES-u Havarijski režim je posljedica nastanka kratkog spoja kao što su:

• tropolni, • dvopolni, • zemljospojevi (jednopolni, dvopolni i tropolni), • prekid faze i spoj sa zemljom.

Osnovne mjerne veličine koje se mogu koristiti za realizaciju selektivne zaptite od kratkih spojeva pojavljuju se:

• iznos struje, • iznos napona, • razlika struja, • nulta komponenta struje, • smjer snage kratkog spoja, • otpor.

16

Iznos struje kao mjerne veličine služi za realizaciju prekostrujnih - trenutnih releja, releja sa strujno nezavisnom vremenskom karakteristikom, kao i strujno zavisnom vremenskom karakteristikom. Da bi se postigla selektivnost primjenjuje se:

• podešenje proradne struje iznad određene vrijednosti, • vremensko stepenovanje mreže od kraja prema izvoru, • kriterij smjera snage (dvostrano napajanje).

Iznos npona uglavnom se koristi kod podnaponskog pušttanja u pogon prekostrujnih releja u cilju sprečavanja djelovanja kod preopterećenja. Razlika struja koristi se kao diferencijalna zaštita transformatora, generatora ili ograničena zemljospojna. Za identifikaciju kvarova sa zemljom u direktno uzemljenim mrežama, ili preko malog otpora koristi se nulta komponenta struje. Mora se voditi računa o aktivnoj i kapacitivnoj komponenti struje. Inverzna komponenta služi za razkikovanje simetričnih i nesimetričnih kvarova. Smjer snage ogleda se u djelovanju releja na smjer. Zaštita baziranja na principu djelovanja iznosa i faznog položaja impedanse naziva se distantna zaštita. Kod zemljjospojeva u mrežama sa izoliranim i kompenziranim zvjezdištem kao kriterij se koristi pojava napona i struje nulte komponente i smjer snage nulte komponente. Ukoliko su struje nulte komponente dovoljno velike kao kriterij se može koristiti samo iznos struje nulte komponente. Mjesto kvara napana se cijelim galvanski povezanim sistemom preko kapacitivnih struja. Uslovi djelovanja su:

• kapacitivna struja dovoljno je velika za normalno djelovanje releja I0>, • kapacitivna struja na zdravim vodovima dovoljno mala da ne izazove

nepotrebno djelovanje zaštite. Ove uslove vrlo je tešlo ispuniti u izoliranim mrežama, te se primjenjuju usmjereni releji priključeni na nultu komponentu snage. Ovdje je mjesto kvara izvor snage nulte komponente. Na osnovu smjera se zaključuje koji je vod pod zemljospojem. PRILOG: Ovaj materijal pripremila je student Sabina Keleštura STABILNOST ELEKTROENERGETSKIH SISTEMA 1. UVOD

Planiranje, razvoj i upravljanje elektroenergetskih sistema se vrši na osnovu analiza i proračuna, kao što su:

- proračun i analiza tokova snaga

- proračun struja i snaga kratkih spojeva

- statička i dinamička stabilnost sistema

- proračun elektromagnetnih polja

- analiza prenapona i tranzijenata u sistemu

- koordinacija uređaja relejne zaštite

- prognoza potrošnje i optimizacija rada sistema itd.

17

2. STABILNOST ELEKTROENERGETSKOG SISTEMA

Osnovni pokazatelji stacionarnog stanja EES-a su:

- sinhroni rad svih sinhronih mašina (ugaona ravnoteža)

- konstantnost frekvencije sistema (frekventna ravnoteža)

- konstantnost modula napona (naponska ravnoteža)

Dakle, stacionarno (ravnotežno) stanje EES-a podrazumijeva da su uglovi rotora svih sinhronih mašina u odnosu na sinhrono rotirajuću referentnu osu konstantni, kao i frekvencija sistema te moduli napona.

Uglovi rotora sinhronih mašina u odnosu na referentnu osu i frekvencija sistema predstavljaju globalne, a moduli napona lokalne parametre stanja elektroenergetskog sistema.

Konstantnost frekvencije ukazuje da je sistem kao cjelina u stacionarnom stanju, što se kvantifikuje konstantnošću inercionog centra EES-a. Pojava svakog poremećaja balansa snaga u sistemu nastoji trenutno da naruši ugaonu, frekventnu i naponsku ravnotežu u EES-u.

Po intenzitetu promjena koje uzrokuju, poremećaji se mogu kvalifikovati kao mali i veliki.

Zavisno od karakteristika normalnog radnog stanja i strukturnih osobina EES-a, odziv sistema može biti stabilan i nestabilan. U općem slučaju za potpuni model dinamike EES-a, opisan sistemom nelinearnih algebarsko-diferencijalnih jednačina, direktan proračun kriterija stabilnosti na osnovu teorije stabilnosti dinamičkih sistema nije moguć. Simulacija dinamičkog odziva EES-a pomoću digitalnih računara i analiza karaktera promjena varijabli stanja u toku prelaznog procesa jedini je postupak koji omogućava analizu stabilnosti potpunog modela EES-a.

Iako je stabilnost elektroenergetskog sistema njegova jedinstvena osobina, praktični proračuni se baziraju na korištenju različitih matematskih modela kojima se opisuje dinamički odziv EES-a pri različitim klasama poremećaja.

Pri određenim zanemarenjima u dinamičkom modelu EES-a, proračuni stabilnosti se mogu vršiti i korištenjem sistema algebarskih jednačina. U tu grupu spadaju tzv.klasični metodi proračuna statičke ugaone i naponske stabilnosti.

Proračuni stabilnosti pri malim poremećajima se nazivaju analize statičke stabilnosti. Korištenjem teorije malih perturbacija, odziv EES-a se opisuje koristeći linearizovane sisteme algebarskih i diferencijalnih jednačina u okolini stacionarnog stanja.

Proračun stabilnosti pri većim poremećajima zahtijeva korištenje nelinearnih diferencijalnih jednačina jer se inherentne nelinearnosti u modelu EES-a ne mogu zanemariti.

Uobičajeno je da se stabilnost EES-a opisuje u zavisnosti od varijable stanja koja se posmatra, tako da se uvode pojmovi:

- ugaona stabilnost (statička i tranzijentna)

- frekventna stabilnost

- naponska stabilnost

3. UGAONA STABILNOST - Ugaona statička stabilnost

Osnovu analize statičke ugaone stabilnosti predstavlja klasični kriterij stabilne radne tačke sinhronog generatora. Ovaj kriterij tzv.prirodne statičke stabilnosti se definira zahtjevom za pozitivnim vrijednostima sinhronizirajućih snaga svih generatora izražen uvjetom dP/dδ=0.

Ukoliko se u analizama uvažavaju utjecaji regulatora napona, u pojednostavljenim proračunima koriste se modeli generatora sa tranzijentnim naponima i reaktansama i model mreže opisan nelinearnim algebarskim jednačinama. Na bazi tog modela definiraju se uvjeti pozitivnosti svih sinronizirajućih snaga između priključenih generatora.

18

Problem ugaone statičke nestabilnosti se može definirati kao posljedica porasta uglova između unutrašnjih napona generatora. Statička ugaona nestabilnost je obično izazvana značajnim promjenama drugih važnih varijabli stanja, kao što su sniženje modula napona i/ili povećanje struje vodova i generatora. Posebno opasni radni režimi generatora su i slučajevi rada u potpobuđenom režimu, koji se javlja u režimima malih opterećenja.

Ukoliko se u analizama ugaone statičke stabilnosti žele uvažiti dinamički modeli

generatora, stabilnost se definira na osnovu teorije malih perturbacija analizom linearizovanih diferencijalnih jednačina. Pri tome se koristi prvi kriterij Ljapunova primijenjen na dinamičke sisteme.

Stalna identifikacija statičke stabilnosti radnih režima je važna funkcija vođenja EES-a. Posebno važni indikatori se odnose na indekse statičke stabilnosti pojedinih generatora i važnijih prenosnih (interkonektivnih) vodova.

Ugaona tranzijentna stabilnost

U stacionarnom stanju frekvencija sistema ω0, kao i relativni uglovi sinhronih mašina δi0 u odnosu na sinhrono rotirajuću referentnu osu su konstantni. U tim uvjetima snaga koju proizvode generatori pokriva snagu potrošača i gubitke u sistemu. Ukoliko u trenutku t=t0 u sistemu nastupi veći poremećaj (kratak spoj ili ispad važnije linije), balans snaga koji postoji u sistemu se trenutno narušava. Na svakom od generatora će se pojaviti suficit ili deficit mehaničke snage u odnosu na aktivnu električnu snagu što će uzrokovati ubrzavanje ili usporavanje rotora. Uglovi rotora u odnosu na sinhrono rotirajuću osu ω0 se uvećavaju ili smanjuju u toku odvijanja iniciranog prelaznog procesa.

Kada se usljed djelovanja sistema zaštite mjesto kvara izoluje, u EES-u se javlja problem

redistribucije viška kinetičke energije, koja se u sistemu akumulirala u toku poremećaja do trenutka isključenja kvara. Ukoliko EES može da apsorbuje ovu energiju bez promjena varijabli stanja izvan definiranih granica, sistem se smatra tranzijentno (ugaono) stabilnim. U tom slučaju u sistemu se uspostavlja novo stacionarno stanje sa polaznom frekvencijom ω0 ili nekom novom vrijednošću frekvencije sistema.

U studijama tranzijentne stabilnosti analizira se sposobnost EES-a da ostane u sinhronizmu, pri čemu se posebna pažnja posvećuje modeliranju i analizi utjecaja pobudnih i prigušnih namotaja generatora, stabilizatora, dinamike potrošača, relejne zaštite i prekidača prenosnih vodova, kao i dinamike odziva turbine i regulatora broja obrtaja. Gubitak sinhronizma bilo kog dijela sistema smatra se kao neprihvatljiv rezultat i nastoje se pronaći korekcione mjere u cilju poboljšanja tranzijentnog odziva sistema.

Najvažnija informacija u sistemu je kritično vrijeme isključenja kvara tkv koje predstavlja granicu između stabilnog i nestabilnog odziva. U studijama planiranja EES-a vrijeme tkv se određuje u nizu uzastopnih simulacija. Prilikom operativnog vođenja EES-a koriste se direktne metode određivanja kritičnog vremena isključenja kvara bazirane na metodama Ljapunova. U dispečerskim centrima se u cilju kvantifikovanja sigurnosti EES-a koriste indeksi tranzijentne stabilnosti koji se izračunavaju na bazi poređenja podešenih vremena isključenja i kritičnog vremena isključenja.

4.FREKVENTNA STABILNOST

I pored najboljih nastojanja planera i operatora u sprečavanju gubitka sinhronizma ili preopterećenja te isključenja prenosnih vodova u toku havarijskih režima, povremeno se u sistemu javljaju poremećaji, ili niz međusobno povezanih poremećaja i događaja, koji su toliko teški da potresu sistem izvan granica sinhronog rada. Pri tome rezultirajuća nestabilnost ili preopterećenje ne vodi direktno do prestanka napajanja potrošača nego obično uzrokuje formiranje izolovanih ostrva u sistemu, gubitak dijelova proizvodnje i potrošnje, i tek u najgorim slučajevima totalni kolaps funkcije EES-a. Ovi procesi se odvijaju u dužem vremenskom periodu i okarakterisani su postojanjem debalansa ukupne snage proizvodnje i

19

potrošnje, kako aktivne tako i reaktivne. Ovakav debalans ima za posljedicu oscilacije modula napona ukoliko je prisutan debalans reaktivnih snaga, ili frekvencije u slučaju debalansa aktivnih snaga.

U slučaju trajnijeg debalansa aktivnih snaga dinamički odziv EES-a je dominantno određen hidromehaničkim procesima u hidroelektranama i termomehaničkim procesima u termoelektranama, kao i samoregulacionim karakteristikama potrošača.

Odzivi generatorskih jedinica pri promjeni frekvencije sistema zavise od tipa elektrana i njihovih namjena u EES-u. Hidrogeneratori mogu da reaguju sa promjenom mehaničke snage u dosta velikom dijapazonu u relativno kratkom vremenu te se koriste za regulaciju frekvencije pri njenim sporijim promjenama i za njeno oporavljanje na normalne vrijednosti. Međutim, pri brzim i naglim promjenama frekvencije odziv termogeneratora je brži od odziva hidrogeneratora, što se realizuje na račun korištenja akumulirane termičke energije u kotlu. Zbog toga je korištenje i hidro i termo generatora neophodno u konceptu protivhavarijskog upravljanja EES-a u segmentu dugotrajne dinamike.

Utjecaj prenosnog sistema kao i karakteristika potrošača je također značajan, pošto pojedine linije u toku prelaznog procesa mogu da budu isključene zbog preopterećenja, dok promjene aktivne i reaktivne snage potrošača usljed promjena napona i frekvencije značajno određuju ukupni dinamički odziv sistema.

Za analizu dinamičkog odziva sistema pri velikim poremećajima snaga u EES-u koriste se programi dugotrajne dinamike. Ključna pretpostavka u simulaciji dugotrajne dinamike je zanemarenje međumašinskih ugaonih oscilacija, odnosno usvajanje pretpostavke o jedinstvenoj frekvenciji sistema jednakoj frekvenciji trv.centra inercije. Ova pretpostavka se bazira na činjeninci da se promjene aktivnih snaga generatora , izračunate na bazi principa o jedinstvenoj frekvenciji sistema, ponašaju kao srednje vrijednosti oscilujućih snaga generatora, kada se ne zanemare međumašinske oscilacije, što na promjene frekvencije u sistemu ima isti efekat. Prema tome, ugaona brzina centra rotacije (jedinstvena srednja frekvencija sistema) se ponaša kao inerciona-srednja ugaona brzina ugaonih brzina proračunatih postupkom simulacije tranzijentne stabilnosti. U većini programa frekventne stabilnosti smatra se da se naponi generatora održavaju konstantnim, te se analizira samo P-f interakcija.

5.NAPONSKA STABILNOST

Analize relativno velikog broja poremećaja u savremenim EES-ima ukazale su da je direktan uzrok pogoršanju rada EES-a u havarijskim režimima pojava sloma napona, uzrokovana naponskom nestabilnošću. Detaljne analize navedenih poremećaja su ukazale na izuzetnu složenost ovog problema i veliki broj utjecajnih faktora.

Premda je odnos između ugaone i naponske stabilnosti veoma složen i još uvijek predmet mnogih istraživanja, u osnovi problem naponske stabilnosti se odnosi na analizu interakcije reaktivnih snaga i naponskih prilika (Q-V interakcija).

Proces sloma napona je karakterističan za period dugotrajne dinamike i povezan je za progresivno snižavanje napona u jedno ili više potrošačkih područja, usljed čega dolazi do naponske nestabilnosti. Dakle, poremećaji u mreži narušavaju ravnotežu reaktivnih snaga u nekom dijelu sistema što uslovljava sniženje napona i uzrokuje dodatni prenos reaktivnih snaga iz udaljenih generatorskih izvora. To izaziva povećanje struja prenosnih vodova, a s tim i povećanje reaktivnih gubitaka. Pored toga niži nivo napona u prenosnoj mreži smanjuje proizvodnju reaktivnih snaga na vodovima usljed odvodnih kapaciteta. Nedostatak reaktivnih snaga u sistemu se samo može nadoknaditi povećanjem proizvodnje reaktivnih snaga u generatorima i sinhronim kompenzatorima. Ukoliko u tom procesu dođe do dostizanja ograničenja na dozvoljenu struju pobude bliskih sinhronih mašina, kada se mora ići na brzo smanjenje struja pobuda istih, proizvodnja reaktivnih snaga se uglavnom prebacuje na udaljene generatore, odnosno u sistemu se pojavljuje problem prenosa reaktivnih snaga na velike udaljenosti. Iz teorije prenosa snaga po prenosnim vodovima poznato je da postoji ograničenje maksimalne snage prenosa u stabilnom pogonu sa aspekta naponske stabilnosti.

20

Gore opisani procesi u EES-u su nelinearni po prirodi. Važno je napomenuti da je za

razliku od frekventne stabilnosti, koja ima globalni karakter, naponska stabilnost lokalnog karaktera

Prema tome, naponski problemi u EES-u su u direktnoj vezi sa:

- povećanjem opterećenja prenosnih vodova

- nedovoljnom rezervom reaktivne snage u dijelu sistema

- prenosom snage na velike udaljenosti

Naponski slom se može desiti u slučaju:

- naglog porasta aktivnog i/ili reaktivnog opterećenja sistema

- ispada lokalne proizvodne jedinice u pretežno potrošačkom dijelu sistema

- ispada dugog prenosnog voda, kojim se prenosi aktivna ili reaktivna snaga u dio

sistema sa lošim naponskim prilikama

U manjem broju slučajeva slom napona se događa u periodu tranzijentne stabilnosti i tada se uglavnom odnosi na potrošačka područja sa značajnim učešćem industrijskih potrošača sa elektromotornim pogonima sa asinhronim motorima. Samo u ovakvim slučajevima potrebno je pri analizi koristiti potpuni dinamički model EES-a. U većini slučajeva korištenje tzv.statičkog pristupa u analizi naponske stabilnosti i sloma napona zadovoljava ciljeve studija sigurnosti.

U statičkom pristupu zanemaruje se utjecaj promjena frekvencije sistema, a u model EES-a uključuju se statički modeli komponenti sistema koje imaju značajan utjecaj na problem naponske stabilnosti (generatori, prenosna mreža, regulacioni transformatori, potrošači).

Za potrebe vođenja EES-a isključivo se koriste indeksi naponske stabilnosti i indikatori blizine pojave naponskog sloma bazirani na statičkom pristupu zbog njihove jednostavnosti i ekonomičnosti za korištenje u realnom vremenu.