Elektros energetikos sistema (EES) - tai visuma elektros įrenginių, skirtų elektrai gaminti, perduoti ir skirstyti.
EES yra viena didžiausių žmogaus sukurtų technologinių sistemų, apimanti kelių valstybių teritoriją ir užtikrinanti normalų tiek pramonės, tiek buitinių vartotojų funkcionavimą.
Be elektros jau negalima įsivaizduoti viso šiuolaikinio pasaulio gyvenimo, elektra tiesiogiai siejasi su tuo, ką žmogus įpratęs vadinti „civilizacija“.
Elektros energetikos pradžia - elektrinės, kurios įvairių rūšių pirminę energiją paverčia elektra.
Pagaminta elektra per skirstomuosius ir komutavimo įrenginius patenka į aukštosios įtampos elektros tinklą ir paskirstoma visoje šalyje.
Pastotėse, esančiose prie miestų ir stambiųjų vartotojų, aukštoji elektros tinklo įtampa transformuojama į žemesnę, reikalingą vartotojams.
Visą šią sistemą nuo avarijų saugo relinė apsauga, kuri reaguoja į avarinio režimo parametrus ir laiku išjungia pažeistą elementą.
Priešavarinė automatika nuolat stebi sistemos būseną ir neleidžia susidaryti režimams, galintiems sutrikdyti visos sistemos darbą.
EES būseną registruoja duomenų surinkimo ir valdymo signalų perdavimo sistema, kuri leidžia nuotoliniu būdu iš dispečerinių centrų stebėti ir valdyti energetikos objektus ir režimus.
Laboratorinių darbų apžvalga
Šioje laboratorinių darbų knygoje trumpai ir informatyviai apžvelgiami įtampos ir reaktyviosios galios reguliavimo principai, transformatorių darbo režimai, aukštesniosios harmonikos elektros tinklai, pastatų elektros instaliacija, pramonės įmonių elektros apkrovos.
Laboratorinių darbų metu išmokstama naudoti reaktyviosios galios kompensavimo įrenginius, parinkti transformatorių skaičių ir darbo režimą įmonėje, išmokstama įvertinti ir užtikrinti tinklo elektros kokybę, susipažįstama su elektros instaliacijos projektavimo ir saugaus eksploatavimo principais, padidinto patikimumo elektros tiekimo schemomis.
1 Laboratorinis Darbas: Automatinis Kondensatorių Baterijų Valdymas
Darbo Charakteristika
Galios faktorius (cos φ) priklauso nuo imtuvo aktyviosios ir pilnutinės varžų santykio.
Kuo šis santykis didesnis, tuo didesnę iš šaltinio gaunamos galios dalį sudaro aktyvioji galia.
Kadangi aktyvioji energija paverčiama kitos rūšies energija, tariama, kad energijos šaltinis yra tuo geriau panaudotas, kuo didesnis imtuvo galios faktorius.
Tiekiant elektros energiją, linijose susidaro aktyviosios energijos galios nuostoliai, proporcingi linija tekančios srovės vertei, pakeltai antruoju laipsniu.
Didinant galios faktorių, mažėja linija tekanti srovė ir energijos tiekimo sistema dirba ekonomiškiau.
Kai galios faktorius nepakankamai didelis, tenka didinti linijų laidų skerspjūvio plotą, šaltinių galią.
Galios faktoriui gerinti plačiai naudojamos kondensatorių baterijos (KB).
Darbo Tikslas
Susipažinti su KB automatinio valdymo principais, išbandyti KB automatinio valdymo pagal apkrovos srovę schemą.
Kondensatorių Baterijų Automatinio Valdymo Įtaisai
KB automatiškai valdomos pagal apkrovos srovę, galios faktorių, paros laiką arba įtampą KB prijungimo vietoje.
KB pagal apkrovos srovę valdomos tada, kai vartotojo reaktyvioji galia kinta proporcingai jo vartojamai srovei.
KB pagal paros laiką valdomos tada, kai įvairiomis vartotojo darbo dienomis apkrovos pobūdis mažai kinta.
Šiuo atveju laikrodis duoda komandą nustatytu paros laiku įjungti tam tikrą KB skaičių.
Jos gali būti naudojamos įtampai reguliuoti.
KB labai dažnai valdomos pagal galios faktorių.
Jų valdymo reguliatorių yra įvairių tipų.
Anksčiau naudoti elektromechaniniai reliniai reguliatoriai keičiami elektroniniais arba skaitmeniniais.
Mikroprocesoriaus bazėje reguliatoriaus pavyzdys - firmos SIEMENS reaktyviosios galios faktoriaus valdiklis SIMEAS C (4RY8403-0EB11).
Prietaisas skirtas kompensuoti reaktyviąją galią 0,4 kV tinkle ir per magnetinius paleidiklius gali valdyti šešias kondensatorių baterijas, kurių rekomenduojamas talpių santykis 1:2:4:8:8:8.
Prijungtų kondensatorių baterijų talpos matuojamos automatiškai.
Pagal tai kontroleris parenka jų perjungimo tvarką.
Jei keli kondensatoriai yra vienos talpos, jungiamas tas, kuris buvo atjungtas ilgesnį laiko tarpą.
Prietaiso SIMEAS C ekrane rodomos aktyviosios, reaktyviosios ir pilnutinės galios vertės, galios faktoriaus vertė, prijungtų kondensatorių galia, be to, srovės ir įtampos 5-osios, 7-osios ir 11-osios harmonikų vertės.
Optinis ryšys leidžia programuoti valdiklį nuotoliniu būdu ir perduoti informaciją į kompiuterį.
Prietaise įdiegta savikontrolės ir gedimų diagnozavimo sistema, užtikrinamas saugus tinklo ir kondensatorių baterijos darbo režimas.
Pvz., jei tinklo įtampa nukrinta žemiau nei 0,85 UN, kondensatoriai išsijungia.
Be to, kondensatoriai išjungiami, jei įtampos harmonikų vertės viršija: 5 harmonikos - 6 %, 7 harmonikos - 5 %, 11 harmonikos - 5 %.
Srovės harmonikų kritinės vertės: 5 harmonikos - 40 %, 7 harmonikos - 40 %, 11 harmonikos - 40 %.
Reaktyviosios galios kompensavimui naudojamos įvairios konstrukcijos trifazės kondensatorių baterijos.
Tokių baterijų pavyzdys - firmos LIFASA galios kondensatoriai FILEMETAL.
Šie kondensatoriai yra sausosios technologijos - juose naudojama izoliacinė metalizuota polipropileno plėvelė.
Tokie kondensatoriai pasižymi atsikūrimo savybe - pramušus dielektriką, elektrodo plėvelė apie pažeistą vietą išgaruoja ir kondensatoriaus darbas atsinaujina.
Sausoji technologija padidina ir darbo saugumą, nes dauguma izoliacinių skysčių degūs ir nuodingi.
Tokie kondensatoriai gaminami 10-100 kVAr galios, 50 Hz dažnio ir 400 V įtampos.
Reaktyviosios Galios Reguliavimo, Perjungiant Kondensatorių Baterijas, Veikimas
Gamintojas prietaisui nustato jautrumo srovę 75 mA, kai jį maitinančio srovės transformatoriaus antrinė apkrovos srovė yra 5A.
Reguliatoriaus jautrumas nustatomas taip, kad jis išsijungtų, kai pasiekiamas geriausias reaktyviosios galios kompensavimas, kitaip viena jo pakopa nuolat persijunginės nekintant apkrovai.
Jautrumo srovė apskaičiuojama pagal 60 % mažiausio reguliavimo kondensatoriaus talpą ir derinama su ja remiantis šiomis formulėmis:
QC = U2ωCmin;
čia IJ - reguliatoriaus suveikimo srovę atitinkanti jautrumo srovė, A; U - įtampa, V; Cmin - mažiausios kondensatorių baterijos talpa F.
KB automatinio valdymo pagal reaktyviąją galią schema su reguliatoriumi parodyta 1.2 pav.
Reguliatorius valdo 6 kondensatorių baterijas, kurių talpa: penkios po 4 µF ir viena pirmojo laipto - 2 µF (variantas 1:2).
Kondensatorių baterijos perjungiamos kas 30 s, taip užtikrinant stabilų kompensatoriaus darbą kintant apkrovai.
Induktyvioji apkrova keičiama rankiniu būdu, įjungiant ir išjungiant jungiklius S1 - S5.
Aktyvioji galia nustatoma pagal įjungtų apkrovų skaičių:
čia n - apkrovų skaičius (1÷5); RS(1-5)= 57Ω.
Reaktyvioji galia nustatoma pagal kondensatorių baterijų srovę:
Q = Ušynų · Ikond.
Užduotis
- Išsiaiškinti žemosios įtampos KB valdymo pagal reaktyviąją galią įtaiso veikimo principą.
- Sujungti laboratorinio darbo schemą.
- Nustatyti, kaip tiksliai reguliatorius kompensuoja reaktyviąją galią lėtai kintant apkrovai. Tam reikia po vieną įjungti apkrovas S1-S5 ir po kiekvieno įjungimo palaukti, kol reguliatorius kompensuos reaktyviąją galią. Tuomet reikia išmatuoti vartotojų, kondensatorių baterijos ir bendrąją šynų srovę, šynų įtampą ir likutinę reaktyviąją galią. Bandymą pakartoti prijungus papildomą aktyviąją apkrovą. Gautus duomenis pavaizduoti grafiškai kaip priklausomybę nuo apkrovų skaičiaus: I = f(n), U = f(n), P = f(n), Q = f(n).
- Ištirti reguliatoriaus veikimą staiga pakitus apkrovai. Tam reikia vienu metu įjungti kelias dėstytojo nurodytas apkrovas ir stebėti reguliatoriaus darbą. Po kiekvieno kondensatoriaus baterijos persijungimo (kas 30 s) reikia išmatuoti vartotojų, kondensatorių baterijos ir bendrąją šynų srovę, šynų įtampą ir likutinę reaktyviąją galią. Kai reaktyvioji galia bus visiškai kompensuota, reikia vienu metu išjungti visas apkrovas ir stebėti reguliatoriaus darbą, kol visos baterijos bus išjungtos. Bandymą pakartoti prijungus papildomą aktyviąją apkrovą. Gautus duomenis pavaizduoti grafiškai kaip priklausomybę nuo laiko: I = f(s), U = f(s), P = f(s), Q = f(s).
- Įvertinus reguliatoriaus veikimą, nustatyti, ar jautrumas parinktas tinkamai? Pagal pateikiamą formulę reikia apskaičiuoti, kokia turi būti reguliatoriaus jautrumo srovė, ir palyginti ją su gamykloje nustatyta srove (75 mA).
Rezultatų Lentelės
| Apkrova (n) | S1 (1) | S1, S2 (2) | S1, S2, S3 (3) | S1, S2, S3, S4 (4) | S1, S2, S3, S4, S5 (5) |
|---|---|---|---|---|---|
| Ivart, A | |||||
| Ikond, A | |||||
| Išynų, A | |||||
| Ušynų, V | |||||
| P, W | |||||
| Q, VAr |
| Laikas, s | Ivart, A | Ikond, A | Išynų, A | Ušynų, V | P, W | Q, VAr |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | ||||||
| 30 | ||||||
| 60 | ||||||
| 90 | ||||||
| 120 | ||||||
| 150 | ||||||
| 180 | ||||||
| 210 | ||||||
| 240 | ||||||
| 270 | ||||||
| 300 |
| Laikas, s | Ivart, A | Ikond, A | Išynų, A | Ušynų, V | P, W | Q, VAr |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 0 | ||||||
| 30 | ||||||
| 60 | ||||||
| 90 | ||||||
| 120 | ||||||
| 150 | ||||||
| 180 | ||||||
| 210 | ||||||
| 240 | ||||||
| 270 | ||||||
| 300 |
2 Laboratorinis Darbas: Transformatorių Darbo Režimai
Darbo Charakteristika
Galios transformatorių, dirbančių elektros energetikos sistemoje, apkrova gali būti įvairi.
Dažniausiai jie dirba neviršydami nominaliosios galios SN.
Dėl kokių nors priežasčių įvykus avarijai, dalis pastotės transformatorių gali būti atjungti ir elektros energiją vartotojams tieks likę prijungti transformatoriai.
Tokiu atveju šie transformatoriai gali būti perkrauti.
Vieno transformatoriaus apkrovai ir galios nuostoliams sumažinti transformatoriai jungiami lygiagrečiai.
Darbo Tikslas
Apskaičiuoti transformatorių galios nuostolius esant įvairiems jų darbo režimams ir nustatyti apkrovą, kuriai esant tikslinga sujungti transformatorius lygiagrečiam darbui.
Lygiagretusis Transformatorių Darbas
Svarbiausi transformatorių parametrai yra: pilnutinė nominalioji galia SN (V∙A ar kV∙A); pirminė ir antrinė nominaliosios įtampos - U1N ir U2N (kV); nominalioji srovė I1N(A), ( trumpojo jungimo galia - P0 ir Pt.j.(W); santykinė tuščiosios veikos srovė i0%, ( ); tuščiosios veikos ir ).
Darbo režimams įvertinti apskaičiuojami transformatoriaus atstojamosios schemos parametrai:
_ tuščiosios veikos reaktyvioji galia:
_ trumpojo jungimo įtampa:
_ aktyvioji varža:
_ reaktyvioji varža:
_ pilnutinė varža:
(2.3) ir (2.5) formulėse įvedus įtampos vienetus kilovoltais (voltais), o galios megavoltamperais (vol- tamperais), varžos apskaičiuojamos omais.
Suminiai transformatoriaus aktyviosios galios nuostoliai turi dvi dedamąsias: pastoviąją - tuščiosios veikos ∆P0, ir kintamąją - trumpojo jungimo ∆Pt.j., priklausančią nuo apkrovos.
Kada lygiagrečiai dirba m vienodų (t.y. ut.j.1 = ut.j.2 = ... = ut.j.m) transformatorių, nuostoliai juose skaičiuojami pagal šią formulę:
Šioje formulėje tuščiosios veikos nuostoliai ∆P0 pastovūs ir lygūs P0.
Trumpojo jungimo aktyviosios galios nuostoliai skaičiuojami pagal šią formulę:
Suminiai transformatoriaus galios nuostoliai išreiškiami taip:
čia - apkrovos faktorius; Sa - vien- fazio transformatoriaus pilnutinė apkrova (Sa = U2N · I).
Transformatorių darbo režimas turi būti ekonomiškai tikslingas.
Kai pastotėje įrengti keli transformatoriai ir jie prijungti prie tų pačių šynų, veikiančių transformatorių skaičius turi atitikti minimalius jų galios nuostolius, dirbant numatytu apkrovos grafiku.
Be to, transformatorių perkrova neturi viršyti gamintojo nustatytų dydžių, kurie priklauso nuo aušinimo sąlygų, nuo aplinkos temperatūros ir nuo apkrovos.
Transformatoriaus perkrovos galimybės nustatomos lyginant faktinį apkrovos faktorių ka su normuotuoju ka‘, kuris priklauso nuo perkrovos trukmės ir apkrovos grafiko užpildos faktoriaus [9].
Užduotis
- Sujungti 2.1 pav. parodytą bandymo schemą.
- Tuščiosios veikos bandymui transformatoriaus antrinė apvija atjungiama nuo apkrovos.
- Matavimo prietaise MX240 matavimo režimą nustatyti į AC padėtį.
- Autotransformatoriumi palaipsniui didinti pirminės apvijos įtampą iki 220V.
- Išmatuoti tuščiosios veikos nuostolius P0 ir tuščiosios veikos srovę I0.
- Trumpojo jungimo bandymui autotransformatoriaus įtampa nustatoma 0V, tada įjungiamas 6A srovės automatinis jungiklis, taip trumpinama antrinė apvija.
- Autotransformatoriumi lėtai didinti įtampą, kol išėjime prijungtų matavimo replių matuoklis pradės rodyti 10A reikšmę.
- Išmatuoti trumpojo jungimo nuostolius Pt.j. ir trumpojo jungimo įtampą.
COVID-19, university distancing restrictions, and limited lab space drove the need for virtual teaching of ECE 3033 Electric Power Systems for the Fall 2020 semester.
Interactive virtual lecture materials were created using MATLAB®.
Equivalent circuit models (ECMs) are the foundation of the Electric Power Systems course.
Each electric machine’s performance and circuit parameters are related through the ECMs.
In a hardware lab, the engineering students will first adjust various inputs.
Next, they’ll observe how the effect of the input propagates through the system and then record the performance data.
The students will repeat this process until the lab is complete.
The students are divided into three-person lab teams.
Each team is required to complete the virtual lab and then write a professional report detailing the experiment and associated questions.
The student feedback showed that the virtual labs were well accepted and reinforced the concepts from the lectures.
The feedback also demonstrated that the labs did not replace the experience of building and troubleshooting a real circuit or electric system.
tags: #elektros #pavaros #11 #laboratorinis #matlab