 |
|
|
|
ARTYKUŁY Energetyka Statyczne źródła mocy biernej – baterie kondensatorów SN i WN jako narzędzia do poprawy warunków pracy sieci elektroenergetycznych |
|
W artykule omówiono znaczenie mocy biernej w systemie elektroenergetycznym i sposoby jej wytwarzania. Przedstawiono rozwiązania techniczne dotyczące zabudowy baterii kondensatorów przyłączonych do szyn zbiorczych rozdzielni 110 kV w stacji Mory i 220 kV w stacji Plewiska. Słowa kluczowe: baterie kondensatorów SN i WN, rozwiązania techniczne w rozdzielniach 110 i 220 kV
Zaistniała sytuacja spowodowała pilną potrzebę rozważenia wprowadzenia do systemu elektroenergetycznego nowych źródeł mocy biernej, charakteryzujących się możliwością szybkiej realizacji i lokalizacją w miejscach, gdzie moc ta jest najbardziej niezbędna. Po przeprowadzeniu szeregu analiz jako optymalne rozwiązanie wybrano przyłączenie baterii kondensatorów o mocy rzędu kilkudziesięciu Mvar do uzwojeń wyrównawczych transformatorów mocy 400/110 kV i 220/110 kV.
Ostatecznie jako lokalizację przyłączenia baterii kondensatorów wybrano siedem węzłów rozdzielczych sieci przesyłowej:
Po uruchomieniu baterii kondensatorów w wymienionych stacjach okazało się, że osiągnięte efekty są tak zadowalające, iż prace w tym kierunku należy kontynuować, tym razem poprzez instalację baterii kondensatorów przyłączonych bezpośrednio do sieci 220 kV i 110 kV. PSE Operator SA podjął decyzję o budowie kolejnych baterii kondensatorów przyłączonych bezpośrednio do szyn rozdzielni 110 kV i 220 kV o następujących mocach:
W artykule omówiono rozwiązania techniczne związane z zabudową baterii kondensatorów przyłączonych do szyn rozdzielni 110 kV w stacji Mory i szyn rozdzielni 220 kV stacji Plewiska.
Moc bierna w systemie elektroenergetycznym jest niezbędna do wytworzenia pola elektromagnetycznego w silnikach elektrycznych i transformatorach. Dzięki obecności pola elektromagnetycznego możliwa jest praca mechaniczna silników i transformacja prądu na inne wartości napięcia w transformatorach.
Źródłami mocy biernej są:
Generatory synchroniczne pracujące w elektrowniach są jak gdyby naturalnym źródłem mocy biernej. Niestety koncentracja wytwarzania w węzłach skupiających wiele jednostek generatorowych o dużej mocy pociąga za sobą konieczność przesyłania mocy biernej na znaczne XIV odległości.
Jest to zjawisko bardzo niekorzystne, powoduje bowiem występowanie strat mocy czynnej, spadki napięć, a przede wszystkim zmniejsza zdolności przesyłowe linii elektroenergetycznych. Z tego też względu bardzo ważne staje się przybliżanie źródeł mocy biernej do jej głównych odbiorców.
Zgodnie z zasadą rozmieszczania źródeł mocy biernej blisko odbiorców baterie kondensatorów lub pojedyncze kondensatory instalowane są w różnych punktach sieci. Poniżej przedstawiono charakterystyczne przypadki instalacji baterii kondensatorów w sieci elektroenergetycznej:
Najkorzystniejsze efekty, w tym także ekonomiczne, można uzyskać poprzez budowę baterii kondensatorów i ich przyłączanie do sieci w miejscach, gdzie pobór mocy biernej jest największy. Z punktu widzenia operatora systemu przesyłowego miejsca najbliższe odbiorcom mocy biernej to stacje transformatorowo-rozdzielcze, do których przyłączona jest sieć odbiorcza operatorów systemu dystrybucyjnego.
Mając to na uwadze PSE Operator SA zdecydował, że znaczącą poprawę sytuacji w zakresie gospodarki mocą bierną będzie można uzyskać przyłączając do uzwojeń wyrównawczych transformatorów mocy 400/110 kV i 220/110 kV oraz bezpośrednio do szyn zbiorczych rozdzielni 220 kV i 110 kV baterie kondensatorów o mocach dostosowanych do występujących na danym obszarze potrzeb i możliwości
obciążania transformatorów.
Istotne znaczenie przy wyborze rozwiązań miał także termin realizacji, aby oczekiwane efekty można było zaobserwować w jak najkrótszym czasie. Podjęte działania miały na celu utrzymanie bezpieczeństwa energetycznego na poziomie wyższym aniżeli miało to miejsce w czasie letnich miesięcy 2006 roku.
Prace przygotowawcze i projektowe
Bezpośrednią realizację zadania poprzedziły pomiary parametrów sieci, głównie zawartości harmonicznych w napięciu i prądzie, mające na celu dobór odpowiednich filtrów chroniących baterie kondensatorów przed szkodliwym wpływem harmonicznych i efektem rezonansu.
Następnie przyszedł czas na opracowanie projektów. Trzeba oczywiście zauważyć, że inwestycja nie ogranicza się tylko do ustawienia samej baterii. Aby móc przyłączyć ją do transformatora potrzebna jest rozdzielnia SN o odpowiednich parametrach, pozwalających na łączenie dużych pojemności. Nie można także zapomnieć o specyfice zabezpieczeń baterii i ich współpracy z pozostałymi elementami systemu elektroenergetycznego.
W przypadkach, gdzie wcześniej uzwojenia wyrównawcze transformatorów nie były wykorzystywane, pojawiła się potrzeba wymiany zabezpieczeń różnicowych transformatorów tak, aby ochroną objęte były także uzwojenia wyrównawcze.
Odrębne zagadnienie stanowił dobór kabli łączących transformator z rozdzielnią SN i rozdzielnię ze stanowiskiem baterii. Możliwości przesyłowe kabli musiały uwzględniać dopuszczalne wg normy przeciążenia baterii, a przewidywane trasy musiały zapewniać właściwe odprowadzenie ciepła wydzielającego się w kablach podczas przepływu prądu. Stąd też w niektórych przypadkach konieczne było zaprojektowanie kanałów kablowych z wymuszoną wentylacją.
Instalowanie baterii kondensatorów w takim rozwiązaniu jak to miało miejsce w opisywanych przypadkach wiąże się nieuchronnie z potrzebą koordynacji dostaw dużej ilości urządzeń i materiałów, często o bardzo indywidualnym charakterze i wyszukanych właściwościach. Trzeba znaleźć spełniających wysokie wymagania dostawców, a następnie zapewnić realizację zamówienia w oczekiwanym czasie. To dość skomplikowane zagadnienie logistyczne udało się zrealizować dzięki coraz bogatszej ofercie rynkowej i znaczącym wysiłku projektantów, polegającym na proponowaniu, wszędzie tam gdzie było to możliwe, kilku równoważnych kierunków dostaw.
Zastosowane urządzenia i ich parametry techniczne
Rozdzielnice SN
W większości przypadków ze względu na poziom napięcia uzwojeń wyrównawczych transformatorów, zastosowano rozdzielnice 15 kV z izolacją gazową SF6.
Wyłącznik zastosowany w polach, do których przyłączone są baterie kondensatorów ma specjalną budowę polegającą na szeregowym połączeniu dwóch komór. W ten sposób uzyskuje się gwarancję poprawnego działania podczas łączenia dużych pojemności.
Przykładowy schemat układu baterii przyłączonej do trzeciego uzwojenia transformatora za pośrednictwem rozdzielni 15 kV przedstawiono na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat przyłączenia baterii kondensatorów do transformatora 400/110 kV
Tabela 1 Zabudowane baterie kondensatorów | |||
| Stacja | Typ baterii | Liczba baterii kpl. | Moc całkowita baterii, Mvar |
| Ełk | BKS-15/15 | 3 | 45 |
| Gdańsk Błonia | BKS-30/25 | 2 | 50 |
| Grudziądz Węgrowo | BKS-15/15 | 4 | 60 |
| Bydgoszcz Jasiniec | BKS-15/15 | 3 | 45 |
| Miłosna | BKS-15/15 | 3 | 45 |
| Mory | BKS-15/15 | 2 | 30 |
| Olsztyn Mątki | BKS-15/15 | 4 | 60 |
Kondensatory
W bateriach zastosowano kondensatory jednofazowe, dwuizolatorowe, w wykonaniu napowietrznym typu Phafo firmy VISHAY z Niemiec. Kondensatory są wyposażone w wewnętrzne urządzenia rozładowcze obniżające napięcie na zaciskach po wyłączeniu do poziomu 75 V w czasie 10 min oraz wewnętrzne bezpieczniki zwijek. W poszczególnych stacjach elektroenergetycznych zabudowano baterie o mocach przedstawionych w tabeli 1.
Dławiki ochronne
W bateriach 15 kV zastosowano bezrdzeniowe dławiki ochronne o stopniu tłumienia 7% (częstotliwość rezonansowa fr = 189 Hz) w wykonaniu napowietrznym. Dławiki wykonane są przez firmę Trench.
Rozwiązania konstrukcyjne
Stanowiska baterii kondensatorów i dławików przeciwrezonansowych wykonano jako stanowiska napowietrzne. Zainstalowane urządzenia posadowiono na stalowych konstrukcjach wsporczych w ustawieniu niskim, a zajęty przez nie obszar oddzielono ogrodzeniem. Każda bateria kondensatorów tworzy układ podwójnej gwiazdy z wbudowanym przekładnikiem prądowym na połączeniu gwiazd. Kondensatory przynależne do jednej fazy są rozmieszczone na tym samym poziomie, a poszczególne fazy, usytuowane jedna nad drugą, tworzą układ pionowy, pozwalający na znaczne ograniczenie zajmowanego terenu.
Również dławiki ochronne dla poszczególnych faz ustawione są jeden nad drugim, aby nie zajmować niepotrzebnie miejsca. Wzajemne połączenia poszczególnych kondensatorów tworzących baterię zostały poprowadzone z wykorzystaniem izolatorów wsporczych przymocowanych do konstrukcji wsporczej baterii. Przykładowy układ konstrukcyjny stanowiska baterii kondensatorów zademonstrowano na rysunku 2.
Rys. 2. Stanowisko baterii kondensatorów
Dla rozdzielni 15 kV przewidziano zabudowanie nowych budynków kontenerowych. Są to kontenery żelbetowe, prefabrykowane. Kontenery były dostarczane na poszczególne obiekty w postaci kilku modułów przeznaczonych do montażu na miejscu i wyposażenia w niezbędne instalacje. Każdy z kontenerów posiada piwnicę pełniącą funkcję kablowni umożliwiającej wprowadzenie kabli do pól rozdzielczych i zabudowanie przekładników ziemnozwarciowych. Rozmiar kontenera dla konkretnego
obiektu był uzależniony od liczby pól, w jakie wyposażona była rozdzielnia 15 kV.
Kable SN łączące transformatory mocy z rozdzielniami SN i rozdzielnie ze stanowiskami baterii kondensatorów poprowadzono, w zależności od indywidualnych możliwości terenowych każdego z obiektów i przewidywanych obciążeń, w ziemi, w kanałach kablowych bądź w przepustach.
Proces realizacji
Realizacja zadania polegającego na zabudowaniu baterii kondensatorów w wybranych stacjach elektroenergetycznych
nie należała do łatwych. Przede wszystkim prace należało prowadzić na czynnych obiektach, które ze względu na swoje znaczenie w systemie elektroenergetycznym nie mogły w żadnym razie ograniczać pełnionej przez siebie funkcji. Ponadto każda z wyposażanych w baterie kondensatorów stacji była poddawana niemal w tym samym czasie innym procesom modernizacyjnym, jak chociażby instalacja i rozbudowa systemów sterowania i nadzoru czy unowocześnianie układów chłodzenia transformatorów mocy. Kluczowe dla powodzenia zadania stało się więc odpowiednie skoordynowanie wszystkich realizowanych na poszczególnych obiektach prac.
Bardzo ważną rolę odegrały, organizowane przez PSE Operator SA w trakcie całego przedsięwzięcia, narady koordynacyjne, na których analizowano postęp prac, pojawiające się zagrożenia i ustalano zakres niezbędnych wyłączeń. Trzeba także zauważyć, że ze względu na zapewnienie poprawnej pracy systemu elektroenergetycznego, transformatory, do których miały zostać przyłączone baterie kondensatorów, mogły być wyłączane jedynie w nocy bądź podczas weekendów i oczywiście nie wszystkie jednocześnie. Był to czynnik, który z pewnością nie ułatwiał realizacji zadania, ale trudno sobie wyobrazić, by istniejąca sytuacja mogła zapewnić większy komfort wykonywania prac. Aby uniknąć przestojów z powodu braku możliwości wyłączenia transformatorów, prace należało tak prowadzić, aby czynności związane na przykład z wymianą zabezpieczeń transformatorów
czy też próbami funkcjonalnymi urządzeń, trafiały dokładnie podczas weekendu. Wymagało to oczywiście odpowiedniej koordynacji prac na danym obiekcie, ale także pomiędzy realizowanymi obiektami.
Uzyskane efekty
Przeprowadzone pomiary przebiegów prądów i napięć, zarówno chwilowych jak i w stanach ustalonych, a następnie okres eksploatacji potwierdziły wyniki wcześniejszych analiz teoretycznych. Baterie kondensatorów znacznie ograniczyły przepływy mocy biernej w danych węzłach sieciowych odciążając linie przesyłowe 220 i 400 kV, jak również miały wpływ na wartości napięć tych węzłów.
Stacja elektroenergetyczna 400/220/110 kV Plewiska jest stacją systemową i pełni funkcję ważnego węzła w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym. Stacja jest powiązana z krajowym systemem elektroenergetycznym liniami 400, 220 i 110 kV.
Stacja składa się z:
Zakres inwestycji
Zakres prac związanych z instalacją baterii kondensatorów 220 kV o mocy 2 x 50 Mvar w stacji Plewiska obejmował:
Rys 4. Schemat zasadniczy rozdzielni 220 kV i stanowisk BKS
Rozwiązania konstrukcyjne stanowisk BKS 220 kV
Zabudowano napowietrzne baterie kondensatorów typu BKS-220/50/H – 2 kpl. produkcji PBW „OLMEX” S.A. na napięcie 220 kV. Baterie podłączono do pól zasilających BKS-11 i BKS-12, które są zasilane z pola w rozdzielni 220 kV. W bateriach zastosowano kondensatory jednofazowe, dwuizolatorowe z ekologicznym syciwem niezawierającym PBC, z wewnętrznymi bezpiecznikami zwijek, z wewnętrznymi oporami rozładowczymi oraz dławiki ochronne przeciwrezonansowe ze stopniem tłumienia p = 7%.
Baterie zostały wykonane jako jednoczłonowe, z możliwością pracy każdej baterii indywidualnie lub obu jednocześnie.
Baterie i dławiki zabudowano w układzie płaskim, a całe stanowisko zostało ogrodzone. Dławiki przeciwrezonansowe jednofazowe zainstalowano na izolatorach wsporczych posadowionych na fundamencie. Kondensatory każdej z faz zainstalowano na izolatorach wsporczych, poziomo w czterech pakietach, jeden nad drugim. Na konstrukcji mocującej poszczególne jednostki zamontowano również izolatory do wykonania połączeń wewnętrznych baterii.
Na odrębnych stalowych konstrukcjach posadowionych na fundamentach zainstalowano przekładniki prądowe, napięciowe oraz ograniczniki przepięć stanowiące wyposażenie baterii kondensatorów.
Parametry techniczne baterii kondensatorów BKS
| typ baterii | BKS-220/50/H |
| moc znamionowa | 50 Mvar; |
| układ połączeń | Y – O – „H”; |
| połączenia szeregowe kond. w baterii | 16S; |
| połączenia równoległe kond. w grupach | 1 |
| liczba kondensatorów w baterii: | 96 |
| napięcie znamionowe systemu | Un = 220 kV; |
| temperatura pracy | -40/D |
| stopień tłumienia | p = 7% |
| prąd zwarciowy | 40 kA; |
| moc całkowita baterii | 2 x 50 Mvar. |
Sterowanie łącznikami WN
Do sterowania programowego wyłącznikami w polu zasilającym i polach baterii kondensatorów zastosowano urządzenia do synchronizowanego załączania i wyłączania wyłączników typu PSD02. Urządzenie jest przystosowane do współpracy z wyłącznikami 3AP1-F1 i umożliwia załączenie każdej fazy przy przejściu napięcia przez zero i wyłączenie przy przejściu prądu przez zero.
Impulsy wyłączające od zabezpieczeń kierowane są bezpośrednio na cewki wyłączające wyłączników.
Zastosowano następujące poziomy sterowania łączników WN:
Poziom podstawowy obejmuje sterowanie z zachowania blokad elektrycznych i blokad logicznych realizowanych w SSiN.
Poziom rezerwowy umożliwia wykorzystanie blokad logicznych i elektrycznych lub tylko elektrycznych. Sterowanie przyciskami w szafkach kablowych możliwe jest tylko z blokadami elektrycznymi.
Zabezpieczenia baterii kondensatorów
Bateria kondensatorów jest wyposażona w zespół zabezpieczeń typu REF 545 realizujący następujące funkcje:
Rys 5. Układ połączeń kondensatorów na stanowiskach 220 kV
Zabezpieczenia działają na otwarcie wyłączników pola własnego oraz pobudzenie układu LRW pól baterii kondensatorów.
Uzyskane efekty
Rys 6. Układ połączeń kondensatorów na stanowiskach |
Opisane rozwiązania dotyczące zabudowy baterii kondensatorów bezpośrednio na szynach rozdzielni 220 kV są pierwszymi w Polsce. Z uwagi na dużą moc baterii kondensatorów oraz poziom napięcia roboczego zostały zastosowane nowe rozwiązania układu połączeń baterii kondensatorów – układ „H”, jak również sposób łączenia baterii do sieci (układ synchronizacji wyłączników). Zdobyte doświadczenie podczas realizacji tego projektu pozwoli nam na realizację podobnych w energetyce zawodowej na najwyższych
poziomach napięć.
Należy również zwrócić uwagę na fakt coraz większego zapotrzebowania na energię (również bierną) w KSE. Należy spodziewać się, że w niedługim okresie zapotrzebowanie na tego typu inwestycje w znacznym stopniu wzrośnie.
Przebiegi łączeniowe baterii
kondensatorów
Na rysunkach 7 i 8 przedstawiono przebiegi łączeniowe baterii kondensatorów o mocy 50 Mvar na napięciu 110 kV. Podczas łączenia baterii maksymalny wzrost napięcia wynosił 1,04 Uust z czasem trwania przebiegów przejściowych około 70 ms. Natomiast maksymalny wzrost prądu przy załączaniu baterii wynosił 2,2 Iust z czasem trwania przebiegów
przejściowych około 300 ms.
Podczas procesu wyłączania baterii kondensatorów maksymalny wzrost napięcia wynosił 1,1 Uust z bardzo krótkim czasem trwania przebiegów przejściowych wynoszącym około 8 ms. W trakcie wyłączenia nie wystąpiło przetężenie prądowe oraz nie stwierdzono zapłonów wtórnych.
Należy również zwrócić uwagę na bardzo krótki czas rozładowania baterii kondensatorów do poziomu 30V.
w okresie 6 s poprzez zastosowane przekładniki napięciowe w każdej fazie układu.
Podczas pomiarów dokonano również analizy widmowej wyższych harmonicznych. Średni współczynnik odkształcenia napięcia – THDU (w procentach harmonicznej podstawowej) wynosił:
Średni współczynnik odkształcenia prądu - THDI (w procentach harmonicznej podstawowej) wynosił 3,8% w prądzie baterii – wartość bezpieczna dla eksploatowanych jednostek kondensatorowych (nie występuje przeciążenie prądowe).
Z analizy powyższych wartości wynika, że dołączenie do szyn rozdzielni 110 kV baterii o mocy 100 Mvar nie spowodowało pogorszenia parametrów sieci elektroenergetycznej w zakresie odkształceń THDU.
Na podstawie wykonanych pomiarów i pierwszych doświadczeń eksploatacyjnych można uznać, że przedsięwzięcie instalowania nowych źródeł mocy biernej w systemie elektroenergetycznym zakończono się sukcesem.
Poprawie uległy warunki napięciowe panujące w sieci najwyższych napięć i efektywność pracy całego systemu elektroenergetycznego. Wprowadzenie mocy 100 Mvar bezpośrednio na szyny rozdzielni 110 (220) kV odciążyło w znacznym stopniu linie przesyłowe 220 i 400 kV, jak również pracujące na stacjach autotransformatory. Taka sytuacja pozwoli na zwiększenie przepustowości mocy czynnej w tych punktach systemu, a co za tym idzie na zwiększenie niezawodności zasilania.
Zrealizowane zadania w pełni potwierdziły słuszność decyzji o instalowaniu baterii kondensatorów, a także dowiodły, że zarządzanie systemem elektroenergetycznym znajduje się w dobrych rękach.
AUTOR:
Marek Iwanicki OLMEX S.A.
| REKLAMA |
|
|
| REKLAMA |
|
|
