Fázisjavítás. Budapesti Műszaki és. Villamos Energetika Tanszék

Átírás

1 Harmonikus jelenségek. Fázisjavítás Dr. Dán András egyetemi tanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi d á Egyetem Villamos Energetika Tanszék

2 Harmonikus definíció Periódikus időfüggvény Legyen ω 1 az alapharmonikus körfrekvencia a harmonikus függvény körfrekvenciája: h ω 1 h<1, akkor szubharmonikus h>1, akkor felharmonikus h=2 2, 3, 4,...stb akkor harmonikus h 2, 3, 4,...stb, akkor közbenső harmonikus 13-Sep-12 2

3 Harmonikus definíció Harmonikusok mérőszámai: Egyedi harmonikus torzítás: Feszültségre D U =U h U 1 Áramra D I = I h I 1 Teljes harmonikus torzítás: h= 2 U Feszültségre THD = 100 [%] U U 1 2 h Áramra THD I = h= 2 I 1 I 2 h 100 [%] 13-Sep-12 3

4 Harmonikus keletkezés Hol keletkezik a harmonikus Generátor? Hálózat? Fogyasztó? 13-Sep-12 4

5 Harmonikus keletkezés Fogyasztók osztályozása harmonikus keltés szempontjából: Lineáris fogyasztó Nemlineáris fogyasztó 13-Sep-12 5

6 Lineáris fogyasztó Tápfeszültség: u(t) = U m sinωt Fogyasztó árama: i(t) = I m sin(ωt±ϕ) Ábrázolás időtartományban: Frekvenciatartományban: 13-Sep-12 6

7 Nemlineáris fogyasztó Tápfeszültség: u(t) = U m sinωt Fogyasztó árama: i t) = I sin( ω t ± ϕ) + I sin( hωt ± ϕ ) Ábrázolás időtartományban: Frekvenciatartományban: ( m hm h 13-Sep-12 7

8 Harmonikus keletkezés Harmonikus áram harmonikus feszültségtorzulás Lineáris Linear Passzív Passive Invariáns Invariant Nemlineáris Nonlinear terhelés Load 13-Sep-12 8

9 Példák nemlineáris fogyasztókra 13-Sep-12 9

10 Példák nemlineáris fogyasztókra Hálózati feszültség: 13-Sep-12 10

11 Példák nemlineáris fogyasztókra Fényerőszabályozós halogén lámpa árama: 13-Sep-12 11

12 Példák nemlineáris fogyasztókra Televízió árama: 13-Sep-12 12

13 Példák nemlineáris fogyasztókra Kompakt fénycső árama: 13-Sep-12 13

14 Példák nemlineáris fogyasztókra Mikrohullámú sütő árama: 13-Sep-12 14

15 Harmonikusok terjedése I T I R I S I I (3) R (3) S = = I I (3) R (3) R e j3120 (3) (3) j3120 I T = IR e = 13-Sep = I I (3) R (3) R

16 Harmonikusok terjedése 13-Sep-12 16

17 Harmonikusok terjedése 13-Sep-12 17

18 Harmonikusok terjedése Dyn transzformátor gerjesztése y oldalról 3. harmonikus árammal 13-Sep-12 18

19 Harmonikusok terjedése 13-Sep-12 19

20 Harmonikusok terjedése Jósági tényező: Soros rezonancia RLC körben, k. harmonikusra 13-Sep-12 20

21 Harmonikusok terjedése Jósági tényező: Párhuzamos rezonancia RLC körben, k. harmonikusra 13-Sep-12 21

22 Harmonikusok terjedése 13-Sep-12 22

23 Harmonikusok terjedése f párh 1 2π L + L + ( L )( C + C ) tr H k fj k f párh 2π 1 L C tr fj Következmény: a harmonikus áram megnő a kondenzátoron ésahálózaton is. Rezonancia esetén: I = I = Q I, ahol Q L tr 2πf R H C k k k 0 k 0 tr 13-Sep-12 23

24 Harmonikusok terjedése 13-Sep-12 24

25 Harmonikusok terjedése f soros = 2π 1 L fj C fj! f soros < f k 13-Sep-12 25

26 Harmonikusok által okozott zavarok Többletveszteség: P ver /P v1 = 1 + THD I 2 Kábelek, vezetékek többletmelegedése Megoldás: - harmonikus szűrés - visszaminősítés (keresztmetszet növelése) Transzformátorok túlmelegedése feszültségtorzulás t lá miatt a vas áramtorzulás miatt a tekercs Megoldás mint fent Védelmek hibás működése (kisautomata téves oldás ) 13-Sep-12 26

27 Harmonikusok által okoztott zavarok Szinkronizálásra érzékeny berendezéseknél hiba a nullátmenet bizonytalansága miatt HKV berendezések zavarása Fázisjavító kondenzátorok túlmelegedése KÖF hálózat hibahelyi maradékáram növelése Postai vonalak zúgászavara Energiamérők hibás mérése 13-Sep-12 27

28 Védekezés a harmonikus torzulás Megelőzés ő ellen Kis harmonikus torzítású berendezések alkalmazása Harmonikus csökkentő kapcsolások Készüléknél alkalmazva Hálózaton alkalmazva 13-Sep-12 28

29 Védekezés a harmonikus torzulás Passzív szűrés ellen 13-Sep-12 29

30 Védekezés a harmonikus torzulás Aktív szűrés ellen 13-Sep-12 30

31 Védekezés a harmonikus torzulás Aktív + passzív szűrés ellen 13-Sep-12 31

32 Fázisjavítás Meddőenergia kompenzálás miért? 1. Műszaki indokok 2. Gazdasági indokok Gyakorlati kérdések 32

33 1. Műszaki indokok A hálózat a kompenzált elosztókig mentesül a meddő energia szállítástól Vezetékek keresztmetszetek jobb kihasználhatósága Hálózati veszteségek csökkentése 33

34 1. Műszaki indokok Összefüggés a tg(ϕ) )és a cos(ϕ) )között tg(ϕ)=q/p cos(ϕ)=p/s

35 2. Gazdasági indokok A villamos energia elosztó hasonló műszaki okok miatt próbálja gazdaságilag ösztönözni ö ö fogyasztóit a csökkentett meddő energia fogyasztásra. Megengedett meddőenergia fogyasztás kisfeszültségen a hatásos fogyasztás 25%-a, a többlet meddő fogyasztás díja 4.1 Ft/kvarh Hálózati veszteségek csökkentése Beruházási költségek megtérülési ideje átlagosan 8-12 hónap 35

36 2. Gazdasági indokok Fogyasztási adatok alapján történő fázisjavító berendezés méretezés QC (kvar) M tg( ϕ ) = = = W Q Q C = PMAX * ( 0.25) * P Q C = 100kW * ( ) *1.1 = Q C Q P M = W 27.5kvar = 50% PMAX Havi csúcsteljesítmény (kw) W - Havi hatásos villamos energia fogyasztás (kwh) M - Havi induktív meddő energia fogyasztás (kvarh) 36

37 3. Gyakorlati kérdések Kondenzátorok túlterhelhetősége, élettartama: Feszültség: 1.1*Un1 1*Un Áram: 1.3*In (harmonikussokkal együtt) Élettartam: általában minimum h Éves kapcsolási szám 5000 db Hőmérséklet osztályok Hőmérséklet osztály Max. környezeti Max. 24 órás átlag Max. éves átlag hőmérséklet hőmérséklet hőmérséklet B 45 C 35 C 25 C C 50 C 40 C 30 C D 55 C 45 C 35 C 37

38 3. Gyakorlati kérdések Kondenzátorok meghibásodásainak okai: Magas üzemi hőmérséklet Magas harmonikus tartalom (kondenzátor melegedéséhez vezet) Nagy kapcsolási gyakoriság Rosszul megválasztott kisütő ellenállás alkalmazása Hálózat felől érkező nagymértékű letörések (tranziens lengés) 38

39 3. Gyakorlati kérdések Kondenzátorok meghibásodásainak okai: Az automatikus berendezésekben általában az első pár fokozat meghibásodási gyakorisága g a nagy Kondenzátorok elhelyezése (vízszintes, függőleges) Magas harmonikus tartalom t esetén a várható élettartam fojtás nélküli kondenzátorok esetében 3-5 év, vagy kevesebb 39

40 3. Gyakorlati kérdések Zárlat védelem: 400V-on a 3 fázisú kondenzátorok névleges árama kb * kvar tehát egy 10 kvar-os kondenzátor névleges árama 14.4 A/fázis A biztosító betét értéke 2 * kvar tehát 10 kvar-os egység védelme 20 A/fázis (lomha) 40

41 3. Gyakorlati kérdések Kondenzátorok kapcsolása: Mágneskapcsoló: Bekapcsolási pillanatban működő csillapító ellenállás Áramlökés korlátozó képesség < 70xIn Kapcsolási gyakoriság sec (élettartam) Tirisztor: Kapcsolás feszültség különbség minimumban Kapcsolási gyakoriság ms Nincs mozgó alkatrész 41

42 3. Gyakorlati kérdések Szabályozás Meddő igény alapján végzett szabályozás (hagyományos) y Meddő igényre szabályozás figyelembe véve a hálózat paramétereit (harmonikus tartalom) Kondenzátor telepek egyenletes terhelése (kapcsolások száma, és üzemidő figyelembe vétele) 42

43 3. Gyakorlati kérdések Fojtott kondenzátortelepek = U U n C Fojtási tényező p p C [ ] C L 1 % X X 100 * p = = = = = f f LC L ω ω ω ω C f ω C Fojtási Rezonancia frekvencia Kondenzátoron mérhető j tényező p fr; fn=50 Hz feszültség UC 5.67 % 210 Hz 424 V 7% 189 Hz V 7 % 189 Hz V 14 % 134 Hz V 43

44 3. Gyakorlati kérdések Fázisjavító berendezés kiválasztásához 1. Határozza meg a szükséges meddő teljesítmény értékét (kvar), válassza ki a kívánt cosϕ eléréséhez szükséges kondenzátor mennyiséget. 2. Tervezze meg a kondenzátorok fokozatkiosztását oly módon, hogy az érzékenység az összteljesítmény 10-15% 15% körül legyen. A nagyon érzékeny fokozatkiosztás (5-8%) nem hasznos, mert ez túl sok kapcsoláshoz vezetne, ami feleslegesen terheli a berendezést. 3. Próbálja úgy tervezni a kondenzátor fokozatot hogy az szabványos kvar érték legyen és annak többszörösei. (Pl.: vagy ) 4. Mérje meg a főbetáplálási ponton az áram harmonikus tartalmat kondenzátorok nélkül minden üzemállapotban. 44

45 3. Gyakorlati kérdések 5. Mérje meg a feszültség harmonikus tartalmat. 6. Ha az eredő harmonikusok közül a THD-I > 10-15% (kondenzátor nélkül mérve)? (külső hálózati rezonancia) Ha igen akkor alkalmazzon fojtott fázisjavító berendezést Ha nem akkor alkalmazhat hagyományos fázisjavító berendezést, de ellenőrizze le a többi pontot is. 7. Fojtás igénye esetén Ha a 3. áram harmonikus I3 > 0.2*I5, THD-I < % Ha igen akkor alkalmazzon 14%-osan fojtott fázisjavító berendezést Ha nem akkor alkalmazzon 7%-osan fojtott fázisjavító berendezést 8. Ha a THD-U: <5% akkor alkalmazza a megfelelő fázisjavító berendezést >5% akkor speciális felharmonikus szűrő 45

46 3. Gyakorlati kérdések Fojtott fázisjavító vagy passzív/aktív szűrő? A fogyasztó mennyi harmonikust táplálhat vissza a hálózatba? 46