Неравнотежа напона у високонапонским мрежама — главни међусобно повезани систем Омана
| Мрежа | Главни међусобно повезани систем Омана (МИС) - 132 кВ подпренос |
| Мерне тачке | Три ХВ мрежне станице које снабдевају три главна индустријска подручја у МИС-у Омана |
| Измерени параметри | Неравнотежа напона и струје — у поређењу са међународним и оманским ограничењима дистрибутивног кода |
| Резултат неравнотеже напона | У границама — Високонапонска комунална мрежа добро избалансирана на нивоу преноса |
| Примењени стандарди | ИЕЕЕ 519 · ИН 50160 · Кодекс дистрибуције Омана |
| Кључна вредност | Успоставља основну линију: Снабдевање комуналног ВН је чисто — свака неравнотежа која се види на терминалима опреме потиче низводно, не из преносног система |
| Мрежни контекст | Оман МИС опслужује индустријска оптерећења укључујући топљење алуминијума, челика, и цемент — сви значајно доприносе ПК поремећајима |
01 Контекст и позадина
Ова студија случаја представља налазе мерења неравнотеже напона спроведених на нивоу преноса и под-преноса у главном међусобно повезаном систему Омана (МИС) — примарна електрична мрежа која опслужује главне индустријске и урбане центре оптерећења Султаната. Студија Албадија ет ал. (2015), представљен на ИЕЕЕ међународној конференцији о индустријској технологији, је један од ретких објављених извештаја о систематској процени неуравнотежености напона на 132 кВ ХВ ниво у блискоисточној мрежи која се брзо индустријализује.[1]
Оман МИС карактерише мешавина оптерећења која представља значајне ПК изазове: велика индустријска оптерећења укључујући топионице алуминијума, челичане, и фабрике цемента — све су то значајни извори хармонијске дисторзије, треперење, и напонски дебаланс — прикључени су на исту преносну мрежу која опслужује стамбене и пословне купце. Квантификовање дебаланса на нивоу ВН је од суштинског значаја за разумевање да ли је извор неравнотеже уочен на терминалима индустријске опреме комунални преносни систем или сама индустријска дистрибутивна мрежа.
Већина студија неравнотеже напона фокусира се на дистрибутивне мреже НН или СН — где се ефекти на моторе и опрему најдиректније осећају. Али неравнотежа на ЛВ терминалима је збир дебаланса на нивоу преноса плус дебаланса на нивоу дистрибуције плус неравнотеже унутрашњег објекта. Мерење на нивоу високонапонске мрежне станице одваја допринос комуналном преносу од доприноса за дистрибуцију и постројења. Ако је ниво ВН уравнотежен, комунална мрежа није основни узрок — истрага мора гледати низводно.
02 Неравнотежа напона — теорија и индекси
Дефиниција — шта је неравнотежа напона?
Трофазни систем напајања идеално функционише са три напона једнака по величини и раздвојена тачно 120° у фазном углу. Неравнотежа напона настаје када се величине разликују између фаза, фазни углови између узастопних фаза разликују се од 120°, или су оба услова присутна истовремено.[1]
У пракси, неравнотежа произилази из комбинације асиметрије мреже (нетранспоновани далеководи, неједнаке импедансе трансформатора) и асиметрија оптерећења (једнофазна оптерећења, неуравнотежена трофазна оптерећења, пећима, вучни системи). Добијени неуравнотежени трофазни систем може се разложити на три симетричне компоненте низа користећи Фортескуову теорему:
- Компонента позитивне секвенце — балансирана компонента која се окреће напред (исту ротацију као и генератор)
- Компонента негативне секвенце — уравнотежена компонента која се окреће уназад (супротна ротација од генератора)
- Компонента нулте секвенце — три једнака фазора у фази (нема ротације, присутан само у системима са неутралним проводником)
Две дефиниције — ИЕЦ вс. НЕМА
Дефиниција ИЕЦ симетричних компоненти (ВУФ = В₂/В₁ × 100%) је међународно преферирана метода и користи се у ЕН 50160 и ИЕЦ 61000-2-2. Захтева мерење фазора (и величину и угао) и представља физички најсмисленију дефиницију јер је напон негативне секвенце директно одговоран за штетне ефекте у моторима и другој трофазној опреми.[2]
НЕМА дефиниција (максимално одступање било ког фазног напона од средње вредности, подељено средњом вредношћу) захтева само мерење величине напона и широко се користи у Северној Америци за процене на терену. За мале неравнотеже (испод отприлике 3%), обе методе дају нумерички сличне резултате. За веће дебалансе или случајеве са значајном асиметријом угла, ИЕЦ метода даје тачнију карактеризацију.[3]
03 Методологија мерења
Мерења дебаланса напона и струје спроведена су на три ВН мрежне станице у Оману МИС. Свака мрежна станица снабдева једну од три главне индустријске области у систему, чинећи мерне тачке репрезентативним за ПК окружење на интерфејсу између преносног система и индустријске подпреносне/дистрибутивне мреже.[1]
Методологија мерења је пратила међународне стандарде за процену ПК на високом напону. Кључни изазов у 132 кВ је да директно мерење није могуће — напонски и струјни инструментни трансформатори (ВТ и ЦТ) се користе за спуштање сигнала на напоне и струје на нивоу инструмента, што захтева верификацију класе тачности трансформатора инструмента како би се осигурало да измерене вредности неуравнотежености нису артефакти грешака трансформатора, а не стварна асиметрија мреже.
У 132 кВ, a 1% неуравнотеженост напона одговара разлици напона фаза-фаза од приближно 760 У. Мерни трансформатори са класом тачности 0.2 или боље да би се овај ниво неравнотеже поуздано решио. А класа 0.5 ВТ уводи мерну несигурност од ±0,5% — потенцијално упоредиву са неуравнотеженошћу која се мери. Због тога мерења ВН дебаланса захтевају експлицитну документацију класе тачности инструментног трансформатора, и зашто очигледну неравнотежу на нивоу ХВ испод 0,5–1% треба тумачити са опрезом.
Измерени подаци о дебалансу су упоређени са ограничењима наведеним у оманском кодексу дистрибуције електричне енергије и важећим међународним стандардима — ЕН 50160 (лимит: ВУФ ≤ 2% за 95% било ког једнонедељног периода) и ИЕЕЕ 519-2014 (који се бави хармонијским границама али упућује на исте 2% праг неравнотеже за потребе планирања).[2][4]
04 Кључни налази
Неравнотежа на нивоу преноса — у границама
Мерења дебаланса напона и струје на све три ХВ мрежне станице у МИС-у Омана била су у границама одређеним Оманским дистрибутивним кодексом и важећим међународним стандардима (У 50160, ИЕЕЕ 519). Систем преноса, упркос опслуживању великих и потенцијално неуравнотежених индустријских оптерећења, задржао своју трофазну симетрију напона унутар 2% ВУФ праг на мерним местима мрежне станице.[1]
| Тачка мерења | Неравнотежа напона (ВУФ) | У 50160 лимит | Оманско ограничење кода | Цомплианце |
|---|---|---|---|---|
| Мрежна станица А — Индустријска зона 1 | У границама — тачна вредност није објављена | ≤ 2% (95тх %иле) | ≤ 2% | ЦОМПЛИАНТ |
| Мрежна станица Б — Индустријска зона 2 | У границама — тачна вредност није објављена | ≤ 2% (95тх %иле) | ≤ 2% | ЦОМПЛИАНТ |
| Мрежна станица Ц — Индустријска зона 3 | У границама — тачна вредност није објављена | ≤ 2% (95тх %иле) | ≤ 2% | ЦОМПЛИАНТ |
| Извор: Албади и др. (2015). Меасурементс ат 132 кВ мрежне станице у Оману МИС. Тачне нумеричке вредности нису објављене у јавно доступном сажетку; статус усклађености потврђен. | ||||
Чињеница да је Оманска МИС ХВ мрежа у границама неравнотеже на нивоу мрежне станице важан је основни налаз. То значи да ако се уоче проблеми са неравнотежом напона на терминалима индустријске опреме у овим областима — прегревање мотора, неисправан рад заштитних релеја, проблеми са кондензаторском банком — извор није комунални преносни систем. То је индустријска дистрибутивна мрежа између мрежне станице и опреме: неједнако једнофазно оптерећење, нетранспоноване хранилице, прегорели осигурачи кондензатора, или лоше балансирана трофазна оптерећења мотора. Комунална компанија испоручује уравнотежено снабдевање. Ово одмах преусмерава инжењерско истраживање са комуналног на објекат.
Тренутни дисбаланс — посебан индикатор
Струјни дебаланс је такође мерен уз неуравнотеженост напона. Тренутна неравнотежа је величина на страни оптерећења — одражава асиметрију повезаних оптерећења, а не асиметрију мреже за напајање. Балансирани напон напајања са неуравнотеженим струјама оптерећења указује на то да једнофазна или неједнака трофазна оптерећења стварају асиметричне струјне токове у дистрибутивном систему, који заузврат производе мале неравнотеже напона кроз импедансу мреже.[1]
Однос између струјне неуравнотежености и неуравнотежености напона зависи од импедансе мреже на мерној тачки. На мрежној станици ВН (висок ниво кратког споја, ниска импеданса извора), чак и значајна струјна неуравнотеженост од индустријских оптерећења производи само мали дебаланс напона на магистрали — због чега су ХВ мерења у границама иако низводна дистрибутивна мрежа може показати значајнији дебаланс на нижим нивоима напона.
05 Ефекти неравнотеже напона
Студија пружа свеобухватан преглед негативних утицаја неравнотеже напона, који чине инжењерско образложење за 2% ВУФ граница у међународним стандардима:[1]
Индукциони мотори — најосетљивија жртва
Индукциони мотори су тип опреме на коју највише утиче неравнотежа напона. Компонента напона негативне секвенце (В₂) покреће ротирајуће магнетно поље у смеру супротном од поља позитивне секвенце. У референтном оквиру ротора, поље негативне секвенце ротира приближно двоструко већом од синхроне брзине — ротор нуди веома ниску импедансу овој компоненти, што резултира великим струјама ротора негативне секвенце из малог напона негативне секвенце.
Остала погођена опрема и системи
- Трофазни исправљачи и погони — неуравнотежен напон напајања производи неједнаке углове проводљивости у исправљачким диодама или тиристорима, генерисање некарактеристичних хармонијских редова и повећање излазног таласа
- Енергетски трансформатори — струје негативне секвенце повећавају губитке у намотају и засићење језгра. Заштита трансформатора (диференцијални релеји) може изазвати лажна путовања у тешким условима неравнотеже
- Кондензатори за корекцију фактора снаге — неуравнотежени напони производе неједнаку расподелу реактивне струје по фазама кондензатора. Прегорели осигурач на једној фази кондензаторске банке је и узрок и појачавач неравнотеже напона
- Системи заштите — даљински релеји и шеме диференцијалне заштите ослањају се на претпоставке уравнотеженог напона. Упорна неравнотежа може изазвати погрешну радњу релеја или десензибилизацију
- Мерење енергије — неуравнотежени системи захтевају право трофазно мерење. Једнофазне или двоелементне конфигурације мерења уносе грешке мерења у неуравнотеженим условима
06 Технике ублажавања
Студија даје преглед главних приступа ублажавању неуравнотежености напона, који спадају у три категорије на основу тачке примене:[1]
| Техника | Механизам | Применљиво на | Распон трошкова |
|---|---|---|---|
| Балансирање оптерећења | Прерасподела једнофазних оптерећења по фазама ради изједначавања потрошње струје по фази | Комерцијални и индустријски објекти; стамбени НН доводници | Ниска — оперативна мера |
| Мрежна транспозиција | Систематска ротација положаја фазних проводника дуж линије ради изједначавања међусобне импедансе по целој дужини | ВН далеководи са инхерентном геометријском асиметријом | Средњи — трошкови изградње |
| Статички ВАР компензатор (СВЦ) | Независно контролисано убризгавање реактивне снаге на сваку фазу ради компензације асиметричне реактивне потражње | Велики Једнофазне оптерећења (пећима, вуча, индукционо загревање) | Високо — 1–5 милиона УСД |
| СТАТЦОМ | Конвертор извора напона са контролом по фази — бржи одзив од СВЦ-а, боље перформансе под динамичком неравнотежом | Индустријска оптерећења са брзо променљивом неравнотежом | Високо — 2–8 милиона УСД |
| Смањење снаге мотора | Рад мотора испод називне ознаке на плочици за одржавање термичких маргина под упорном неравнотежом — не ублажавање већ заштитна мера | Постојеће моторне инсталације код којих се неуравнотеженост не може елиминисати | Нулти капитал — трошкови производње |
| Сцотт-Т или Ле Бланц трансформатор | Претвара једнофазно оптерећење (вуча) на балансирани двофазни еквивалент, смањење дебаланса мреже од железничког снабдевања | Електрични вучни системи железнице | Средњи — трошак трансформатора |
Пре специфицирања било које активне компензационе опреме за неравнотежу напона, први корак је увек систематска ревизија оптерећења — идентификација која једнофазна оптерећења стварају неравнотежу, и да ли је њихово ребалансирање кроз фазе изводљиво. У многим индустријским објектима, неравнотежа је једноставно резултат историјских додатака једнофазног оптерећења у било којој фази која је имала резервни капацитет у време инсталације. Систематско ребалансирање не кошта ништа у капиталу и може смањити неравнотежу за 50–80% пре него што се узме у обзир било каква енергетска електроника.
07 Перспектива квалитета струје
Ова студија заузима специфичну и вредну позицију у литератури о ПК студијама случаја: то је један од ретких објављених извештаја о систематском мерењу неравнотеже напона на високонапонском преносном нивоу у мрежи која се брзо индустријализује. Налаз да је Оман МИС ХВ мрежа у међународним границама — упркос томе што опслужује велике количине, потенцијално неуравнотежена индустријска оптерећења — пружа важну основу.
Из перспективе комуналног инжењеринга, кључни увид је аргумент импедансе: ХВ мрежна магистрала има висок капацитет кратког споја, што значи да је његов напон крут и отпоран на изобличење услед неуравнотежених струја оптерећења. Иста струја оптерећења која производи а 2% ВУФ на слабом ЛВ фидеру може произвести само 0,1–0,2% ВУФ на 132 кВ сабирница. Ово објашњава зашто се преносни систем чини уравнотеженим док опрема повезана са дистрибуцијом доживљава значајну неравнотежу — неравнотежу стварају импеданције и оптерећења на нивоу дистрибуције, не преноси из ВН система.
Где мерите неравнотежу напона одређује шта ћете пронаћи. Мера на 132 кВ мрежна станица — наћи ћете уравнотежено снабдевање. Мера на 11 кВ дистрибуциона магистрала — можда ћете наћи 0,5–1,5% ВУФ због асиметрије фидера. Измерите на терминалима мотора у индустријском постројењу — можда ћете пронаћи 2–4% ВУФ због унутрашње неравнотеже оптерећења. Сва три мерења су тачна - мере различите ствари. Инжењерска процена која закључује “комунално снабдевање је уравнотежено” од ХВ мерења, без мерења на терминалима опреме, недостаје цела прича.
Албади ет ал. студија показује управо такву систематичност, стандардно референтно мерење ПК на нивоу преноса које се ретко објављује, али је од кључне важности за планирање комуналних услуга. Основни подаци о МИС-у у Оману потврђују да преносна мрежа није извор проблема са неравнотежом напона пријављених у индустријским областима које опслужује — што је налаз са директним оперативним импликацијама: инжењерски напор треба да се фокусира на дистрибутивну мрежу и управљање оптерећењем објекта, не на преносном систему. Ово је перспектива корисности коју већина ПК студија на страни објекта пропушта.
Референце
- Албади МХ, Ал Хинаи АС, Ал-Бади АХ, Ал Рииами МС, Ал Хинаи СМ, Ал Абри РС. “Неравнотежа у електроенергетским системима — Преглед и студија случаја Оман МИС.” Процеедингс оф тхе ИЕЕЕ Интернатионал Цонференце он Индустриал Тецхнологи (ХЕ 2015), Севиља, Шпанија, ПП. 1407–1411, Март 2015. ДОИ: 10.1109/ИЦИТ.2015.7125294
- У 50160:2010+А3:2019. Напонске карактеристике електричне енергије коју испоручују јавне електричне мреже. ЦЕНЕЛЕЦ, Брисел.
- НЕ МГ-1-2021. Мотори и генератори. Национално удружење произвођача електричне енергије, Росслин, ВА.
- ИЕЕЕ Стд 519-2022. ИЕЕЕ стандард за хармонијску контролу у електроенергетским системима. ИЕЕЕ, Њујорк, НИ, 2022.
- ИЕЦ 61000-2-2:2002+АМД1:2017. Електромагнетска подударност (ЕМЦ) — Парт 2-2: Нивои компатибилности за нискофреквентне спроведене сметње у јавним нисконапонским системима напајања. ИЕЦ, Женева.
Албади МХ, Ал Хинаи АС, Ал-Бади АХ, Ал Рииами МС, Ал Хинаи СМ, Ал Абри РС. “Неравнотежа у електроенергетским системима — Преглед и студија случаја Оман МИС.” ИЕЕЕ ИЦИТ 2015, ПП. 1407–1411.
ДОИ: 10.1109/ИЦИТ.2015.7125294 · Поглед на Семантиц Сцхолар →
Ова студија случаја је представљена у облику сажетка и коментара у образовне сврхе. Оригинална публикација је ИЕЕЕ конференцијски документ; ауторска права припадају ИЕЕЕ. Одељак ПК Перспецтиве (Одељак 7) и СВГ дијаграми су оригинални ИПКДФ уреднички садржај од Дениса Руеста, мр. (Примењено), П.Енг. (рет.). ИПКДФ не полаже право на ауторство оригиналног истраживања.