doc27 Razlike med distribucijskimi omrežji v Evropi in ZDA
download 
Report Transcription
27 Razlike med distribucijskimi omrežji v Evropi in ZDA
UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za elektrotehniko Boštjan Avbar Razlike med distribucijskimi omrežji v Evropi in ZDA Seminarska naloga pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja Mentor: Prof. Grega Bizjak Ljubljana, študijsko leto 2014/2015 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Vsebina 1. UVOD .................................................................................................................................. 3 2. PRIMERJAVA OSNOVNIH NAPETOSTNIH NIVOJEV ............................................................. 4 3. STRUKTURA OMREŽIJ V EVROPI IN ZDA ............................................................................. 5 4. PRIMERJAVA VTIČNO SPOJNIH NAPRAV (VTIČNICE IN VTIČI) ............................................ 7 .................................................................................................................................................... 9 5. PRIMERJAVA ZANESLJIVOSTI OBEH OMREŽIJ .................................................................. 10 6. OSTALE RAZLIKE MED SISTEMOMA.................................................................................. 12 7. PRIMERJAVA ZAŠČIT IN VARNOSTI OMREŽIJ TER UPORABNIKOV ................................... 13 7.1 Zaščita pred prevelikimi toki...................................................................................... 13 7.2 Prenapetostna zaščita ............................................................................................... 13 7.3 Ozemljevanje ............................................................................................................. 13 7.3.1 Štiri žični sistem z nevtralnim vodnikom ozemljenim na več mestih ................. 14 7.3.2 Tri-žični sistem z resonančno ozemljitvijo preko petersenove dušilke .............. 14 7.3.3 Sistemi ozemljitve na nizko napetostnem nivoju distribucijskega omrežja ...... 15 8. VPRAŠANJA ....................................................................................................................... 16 9. VIRI: .................................................................................................................................. 18 2 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 1. UVOD Distribucijsko omrežje je del elektroenergetskega sistema, ki je priključeno na prenosno omrežje prek razdelilno-transformacijskih postaj. Nanj so priključeni tudi manjši proizvajalci električne energije. Sestavljajo ga transformatorske postaje in električni vodi različnih napetostnih nivojev (med 12,47 kV in 245 kV), ki so namenjeni razdeljevanju električne energije končnim odjemalcem. Distribucijsko omrežje pa se je po svetu razvilo v različnih oblikah. Dva glavna modela distribucije sta severno-ameriški in evropski sistem, ki ju bom v tej seminarski nalogi tudi skušal čim bolje opisati. Za obe obliki omrežij velja, da so njuni elementi zelo podobni: vodniki, kabli, izolatorji, prenapetostni odvodniki, regulatorji in transformatorji. Za oba sistema velja, da sta radialna, napetosti so podobne in prav tako tudi prenosne zmogljivosti sistemov. Glavne razlike pa so predvsem v postavitvah, konfiguracijah in aplikacijah sistema. Tako kot tudi povsod drugod, je v distribucijskem omrežju zelo pomembno kako je poskrbljeno za varnost uporabnikov. V seminarski nalogi bom skušal prikazati nekatere podobnosti in razlike v varnosti severno-ameriškega in evropskega distribucijskega omrežja. 3 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 2. PRIMERJAVA OSNOVNIH NAPETOSTNIH NIVOJEV Severno-ameriški in evropski sistem sta sistema distribucijskih nivojev napetosti, ki se uporabljajo povsod po svetu. Oba sistema sta standardizirana. V spodnji tabeli so podane različne napetosti v distribuciji za Evropo in ZDA. Tip napetosti Srednje napetostno omrežje (line to line) Trifazna sekundarna nizka napetost (line to line) Enofazna sekundarna nizka napetost (line to neutral) Ameriški sistem Od 4 do 35 kV Evropski sistem Od 6,6 do 33 kV 208, 480 ali 600 V 380, 400 ali 416 V 120/240, 277 ali 347 V 220, 230 ali 240 V Tabela 1: Primerjava različnih napetosti v Evropi in ZDA Izbira določenega napetostega nivoja je odvisna od tipa obremenitve (stanovanjski porabniki, industrijski porabniki), velikosti bremena, in tudi od razdalje na kateri je breme postavljeno. To je prikazano na naslednji sliki, za katero so napetosti, ki veljajo za Evropo napisane v oklepajih. 4 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Slika 1: blokovni diagram različnih napetostnih nivojev za različne obremenitve Iz tabele 1 in slike 1 lahko opazimo, da je distribucijska napetost v evropskem sistemu višja kot v ZDA. To pa ima nekatere prednosti in tudi slabosti, kot naprimer: Prednosti: sistemi imajo manjše padce napetosti in manjše prenosne izgube za dan pretok moči, posledično lahko pokrivajo veliko večja območja. Zaradi daljšega dosega tak sistem potrebuje manj transformatorski postaj Slabosti: več prekinitev oziroma motenj do porabnikov saj so tokokrogi daljši, to pomeni manjšo zanseljivost sistema. Iz finančnega vidika je tudi sistemska oprema dražja (transformatorji, kabli, izolatorji…). 3. STRUKTURA OMREŽIJ V EVROPI IN ZDA Struktura primarnega(srednje napetostnega) distribucijskega sistema je v obeh državah zelo podobna. Pri obeh gre predvsem za radialno strukturo omrežja z možnostjo rekonfiguracije s selekcijskimi stikali. Radialni sistem je razporejen kot drevo, kjer ima vsak uporabnik en vir oskrbe. 5 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Slika 2: Struktura ameriškega(levo) in evropskega distribucijskeg omrežja Opazimo lahko, da se v ZDA v srednje napetostnih nivojih uporablja trifazni štiri žični sistem, ki vsebuje nevtralni vodnik, medtem ko se v Evropi na srednje napetostnih nivojih uporablja tri fazni tri žični sistem brez nevtralnega vodnika. Večina transformatorjev v Evropi je trifaznih, z trikot vezavo primarja in zvezdo vezava sekundarja z ozemljenim nevtralnim vodnikom. Slika 3:Primer trifaznega distribucijskega transformatorja v Evropi (a) in enofaznega distribucijskega transformatorja v ZDA (b) 6 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Moči teh transformatorjev so reda velikosti od 300 do 1000 kVA in so v primerjavi z ameriškimi veliko večji. Tipično se v ZDA uporablja enofazne transformatorje, reda moči od 25-50 kVA. Za primer, v ZDA transformatorji, ki so tipično pritrjeni na drog, lahko v primestnem okolju oskrbujejo približno 7-11 hiš. Na drugi strani bi v Evropi tipičen nizkonapetostni transformator, običajno moči med 315 in 1000 kVA zadostoval za oskrbovanje celotne soseske. To pa je predvsem zaradi višje napetosti, ki se lahko s sprejemljivimi izgubami prenaša po daljših razdaljah v primerjavi z ZDA. Kot sem že omenil so transformatorji v Evropi večji, na vsak transformator pa je vezanih tudi več porabnikov kot v primeru transformatorjev v ZDA. Prednost ameriškega sistema pa je pri vzdrževanju ali odpovedi posameznega transformatorja, saj bo ob takem dogodku prizadeto manjše število porabnikov. Slika 4: Primer enofaznega transformatorja v ZDA Razliko v strukturi obeh omrežij lahko iščemo tudi v zgodovini in začetku gradnje obeh. V Evropi so bile ceste in stavbe že večinoma izgrajene še preden se je načrtovalo električno omrežje, tako da se je struktura omrežja lahko nekoliko bolj prilagodila. To velja predvsem za nižjenapetostne nivoje, kjer je struktura omrežja vezana na gradnjo. Medtem, ko v ZDA je bilo veliko cest in zgradb načrtovanih istočasno z električnim omrežjem. 4. PRIMERJAVA VTIČNO SPOJNIH NAPRAV (VTIČNICE IN VTIČI) 7 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Tudi za vtično spojne naprave velja, da se med seboj razlikujejo v ZDA in Evropi. Za Evropo je v stanovanjskih in pisarniških objektih najbolj pogosta enofazna tripolna(lahko tudi dvopolna) vtičnica in vtič. Vtičnice imajo zaščitni (PE) kontakt, pri čemer sta glavna kontakta (L,N) vzmetni puši, zaščitni kontakt pa je podolgovat vzmetni kontakt. Vtičnice so izdelane za fazno napetost 250 V in toke do 16 A. V Evropi se največ uporabljajo dvo in tri polni vtiči, pri čemer se dvopolni vtiči uporabljajo za toke do 10 A, tri polni pa pa do 16 A. Slika 5: Primer tripolnega(levo) in dvopolnega(desno) vtiča V Evropi pa so tudi države, ki uporabljajo drugačne tipe vtično spojnih elementov. To so na primer Danska, Velika Britanija, Italija, Švica in še nekatere druge države. Večina Severne Amerike in del Južne Amerike uporablja vtičnice in vtiče standardizirane po organizaciji »National electrical Manufacturers Association«. Naprave se označujejo po formatu NEMA n-mmX, kjer je n identifikator za konfiguracijo pinov in »rezil« oziroma čepov na vtičih, mm označuje maksimalen tok, X pa označuje ali gre za vtič(P) ali vtičnico (R). NEMA vtično spojne naprave so narejene za toke od 15-60 A in napetosti od 120-600 voltov. 8 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 V starejših stanovanjskih objektih se pogosto uporabljajo NEMA 1-15 vtičnice in vtiči brez zaščitnega (PE) kontakta. Vtič ima dve vzporedni rezili in je prikazan na naslednji sliki. Slika 6: NEMA 1-15P vtič V ZDA najbolj pogosto zastopane vtičnice in vtiči, ki so prisotni praktično v vsakem stanovanjskem objektu oziroma gospodinjstvu so naprave tipa NEMA 5-15. Za vtič tega tipa velja, da ima dve ploski rezili pri čemer za razliko od tipa NEMA 1-15 vsebuje tudi zaščitni kontakt, ki je daljši od faznega in nevtralnega kontakta. Vtiči tipa NEMA 5-15 so izdelani za napetosti 125 V in toke 15 A. Slika 7: Primer vtiča NEMA 1-15(na levi) in vtiča tipa NEMA 5-15(na desni) 9 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Slika 8:Vtičnica NEMA 5-15 5. PRIMERJAVA ZANESLJIVOSTI OBEH OMREŽIJ Zanesljivost obeh sistemov bom primerjal s stališča neprekinjenosti napajanja. Neprekinjenost napajanja je predpisana za skupno število in trajanje nenapovedanih kratkotrajnih in dolgotrajnih prekinitev v enem letu na odjemnem mestu. Predpisano je tudi število napovedanih prekinitev. Načrtovana prekinitev napajanja je, ko je napetost na odjemnem mestu manjša od 5 % dogovorjene napetosti, odjemalci pa so predhodno obveščeni, da se bodo na omrežju izvajala dela. Enako velja za nenačrtovano prekinitev, le da odjemalci predhodno niso obveščeni. Takšno prekinitev povzoročijo trajne ali prehodne okvare, ponavadi zaradi zunanjih dogodkov ali okvar opreme. Kazalnilka, ki kažeta izpade električne energije sta SAIDI in SAIFI. SAIDI nam pove čas trajanja vseh nenačrtovanih prekinitev, daljših od treh minut. SAIFI nam pove število vseh nenačrtovanih dolgotrajnih prekinitev. 10 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Za distribucijska omrežja v Evropi velja, da so v splošnem manj zanesljiva kot omrežja v ZDA. Glavni razlog je v tem, da so napajalni vodi precej daljši in so tako izpostavljeni bolj pogostim izpadom in napakam. Za naključni območji v Evropi in ZDA je bilo s simulacijami delovanja obeh distribucijskih sistemov pokazano, da je povprečna pogostost pojavljanja prekinitev omrežja v Evropi več kot za 35% višja v primerjavi z ZDA . Za doseganje podobne stopnje zanesljivosti kot v ZDA bi evropski sistem potreboval dodatna stikala, ki pa bi dodatno zakomplicirala tokokroge. Naslednji graf prikazuje izračun kazalca SAIDI za Evropo in ZDA. Iz grafa je razvidno da je trajanje prekinitev napajanja v opazovanem območju daljše v evropskem distribucijskem sistemu. 11 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Slika 9: Primerjava kazalca SAIDI za Evropo in ZDA Vir: http://ieeexplore.ieee.org.nukweb.nuk.uni-lj.si/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=847177 , dostopno 20.4.2015 6. OSTALE RAZLIKE MED SISTEMOMA Prilagodljivost: Velja, da ima amereški sistem bolj prilagodljiv srednje napetostni oziroma primarni nivo, medtem ko ima evropski sistem bolj prilagodljiv nižje napetostni oziroma sekudarni nivo. Ameriški sistem ima prednost predvsem v podeželjskem okolju kjer so bremena bolj razpršena pa tudi v ZDA je srednje napetostni nivo nekoliko bolj primeren za priključevanje novih bremen ter za nadgradnjo in razširitev tokokrogov. Cena: Evropsko omrežje je v splošnem dražje od ameriškega, vendar je tu veliko spremenljivih dejavnikov, ki vplivajo na ceno tako da je iz finančne plati omrežja težko primerjati. 12 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Kraja: Zaradi boljše prilagodljivosti srednje napetostnega nivoja je energijo v Evropi precej lažje krasti. S temi problemi se ubadajo predvsem države v razvoju. Srednjenapetostno omrežje je pogosto speljano vdolž ali na vrhu stavb in tako lahek dostop ne zahteva posebnih znanj. Kot primer sem v literaturi prebral da se v ZDA ukrade približno 2% električne energije. 7. PRIMERJAVA ZAŠČIT IN VARNOSTI OMREŽIJ TER UPORABNIKOV 7.1 Zaščita pred prevelikimi toki V ZDA je večina distribucijskega omrežja na srednjenapetostnem nivoju načrtovana za kratkostične, okvarne toke do 10 kA. Pogosto imajo velike kratkostične zmogljivosti v bližini večjih transformatorskih postaj. Pretokovna zaščita v ZDA je izvedena z odklopniki, varovalkami in releji. Te zaščitne naprave so dimenzionirane tako, da se čim bolj minimizira prekinitve do uporabnikov. V Evropi se standardne izvedbe zaščite razlikujejo od države do države, v splošnem pa so zaščite enake kot v ZDA, torej releji, odklopniki in varovalke. Maksimalne vrednosti kratkostičnih tokov na srednjenapetostnem nivoju so: Švedska 40 kA, Avstrija in Velika Britanija 30 kA, Najnižje vrednost pa so na Finskem 7 kA, ter v Franciji in Italiji 12,5 kA 7.2 Prenapetostna zaščita Ko sem primerjal prenapetostno zaščito v Evropi in ZDA sem ugotovil, da je le ta v obeh sistemih precej podobna. V večini primerov se uporablja ZnO prenapetostne odvodnike. 7.3 Ozemljevanje Ozemljitev je ena glavnih obramb pred nevarnimi električnimi udari in prenapetostmi. Dobro ozemljena oprema pomaga zmanjšati možnosti električnega udara v ljudi, ki bi nastal zaradi 13 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 notranjih okvar opreme. Za večino ameriških distribuijskih sistemov velja, da so zelo dobro ozemljeni. 7.3.1 Štiri žični sistem z nevtralnim vodnikom ozemljenim na več mestih Štiri žični sistem z večimi ozemljitvami nevtralnega vodnika prevladuje v ZDA. V takih sistemih zemlja služi kot povratni vodnik za nekatere neuravnotežene toke med normalnim obratovanjem in med napakami. Manjše izgube za napajanje enofaznih bremen je glavni razlog, da se je ta sistem razvil v ZDA. Kot prikazuje spodnja slika, ena faza in nevtralni vodnik oskrbujeta enofazna bremena. Nevtralni vodnik predstavlja varno ozemljitev za priključeno opremo. Več kot polovico distribucijskega sistema je sestavljena iz enofaznih tokokrogov in večina porabnikov je enofaznih. Slika 10: trifazni štirižični sistem z nevtralnim vodnikom ozemljenim na več mestih 7.3.2 Tri-žični sistem z resonančno ozemljitvijo preko petersenove dušilke Ta sistem je najbolj značilen za distribucijska omrežja v Evropi. Ob nastopu enofaznega zemeljskega stika teče skozi mesto okvare tok, ki se razdeli na tok, ki teče preko zemlje v zvezdišče in na tok, ki se zaključi preko dozemnih odvodnosti in kapacitivnosti zdravih dveh faz. Resonančna ozemljitev nevtralne točke preko Petersenove dušilke omogoča kompenzacijo kapacitivne komponente toka enofaznega zemeljskega stika na mestu okvare, tako da na mestu enofaznega zemeljskega stika teče le še delovna komponenta toka. Tako je 14 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 z uporabo dušilke verjetnost ugasnitve obloka veliko večja. Med trajanjem enofaznega zemeljskega stika se napetosti na nizko napetostni strani ne spremenijo. Torej se izboljša zanesljivost dobave električne energije. 7.3.3 Sistemi ozemljitve na nizko napetostnem nivoju distribucijskega omrežja Ozemljitev dela točke električnega napajalnega sistema in izpostavljenih prevodnih delov je pomemben element zaščite pred vplivi električnega toka. V splošnem glede na povazavo ozemljitev ločimo: a) TN sistem napajanja b) TT sistem napajanja c) IT sistem napajanja kjer pomeni: T ... terre: neposredna povezava z zemljo v eni točki (nevtralna točka transformatorja) I ... isolated: vsi vodniki pod napetostjo (vključno N vodnik) so izolirani glede na zemljo ali pa je ena točka transformatorja povezana z zemljo preko impedance (I) N ...neutral: neposredna električna povezava izpostavljenih prevodnih delov z ozemljeno točko napajalnega sistema (nevtralna točka transformatorja) Glede na ločevanje oz. združevanje funkcije nevtralnega in zaščitnega vodnika ločimo: S separated: nevtralna (N) in zaščitna funkcija (PE) je izvedena z ločenima vodnikoma C combined: nevtralna in zaščitna funkcija je združena v enem vodniku (PEN Tako za ZDA kot tudi za Evropo velja, da so prisotni vsi sistemi, pa vendar je v ZDA najbolj pogost TNS sistem, medtem, ko se v Evropi največkrat pojavlja TT sistem ozemljevanja. 15 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 Slika 5 TT - sistem Slika 4 TN-S - sistem L1 L2 L3 S separated: L1 nevtralna in zaščitna funkcija je izvedena z ločenima vodnikoma L2 L3 N N PE ◦◦◦◦ porabni k T terre: neposredna povezava z zemljo v eni točki (nevtralna točka transformatorja) Ro Ro PE ◦◦◦◦ T ... neposredna električ na povezava iz postavljenih prevodnih delov z zemljo, neodvisno od ozemljitve kat točke napajalnega sis tema T ... terre: neposredna povezava z zemljo v eni točki (nevtralna točka transformatorja) RA 8. VPRAŠANJA 1) Navedite napetosti, ki se pojavljajo na srednje napetostnem in nizko napetostnem nivoju v Evropi in ZDA! 16 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Tip napetosti Srednje napetostno omrežje (line to line) Trifazna sekundarna nizka napetost (line to line) Enofazna sekundarna nizka napetost (line to neutral) Boštjan Avbar 64110009 Ameriški sistem Od 4 do 35 kV Evropski sistem Od 6,6 do 33 kV 208, 480 ali 600 V 380, 400 ali 416 V 120/240, 277 ali 347 V 220, 230 ali 240 V 2) Kakšne transformatorje se po večini uporablja v ZDA in kakšne v Evropi? Navedite tudi približne moči posameznega tipa tranformatorja. V ZDA so večinoma v uporabi enofazni transformatorji, medtem ko se v Evropi uporablja predvsem trifazne transformatorje. Moči ameriških transformatorjev so od 25-50 kVA, v Evropi pa od 300-1000 kVA. 3) Naštej in na kratko opiši 3 razlike med distribucijskimi omrežji v ZDA in Evropi. Prilagodljivost: Velja, da ima amereški sistem bolj prilagodljiv srednje napetostni oziroma primarni nivo, medtem ko ima evropski sistem bolj prilagodljiv nižje napetostni oziroma sekudarni nivo. Ameriški sistem ima prednost predvsem v podeželjskem okolju kjer so bremena bolj razpršena pa tudi v ZDA je srednjenapetostni nivo nekoliko bolj primeren za priključevanje novih bremen ter za nadgradnjo in razširitev tokokrogov. Cena: Evropsko omrežje je v splošnem dražje od ameriškega, vendar je tu veliko spremenljivih dejavnikov, ki vplivajo na ceno tako da je iz finančne plati omrežja težko primerjati. Kraja: Zaradi boljše prilagodljivosti srednje napetostnega nivoja je energijo v Evropi precej lažje krasti. S temi problemi se ubadajo predvsem države v razvoju. Srednjenapetostno omrežje je pogosto speljano vdolž ali na vrhu stavb in tako lahek dostop ne zahteva posebnih znanj. Kot primer sem v literaturi prebral da se v ZDA ukrade približno 2% električne energije. 17 Fakulteta za elektrotehniko Razdelilna in industrijska omrežja Študijsko leto 2014/2015 Boštjan Avbar 64110009 DOMAČA NALOGA S pomočjo spleta in literature raziščite kaj potrebujemo, če potujemo v ZDA in bi radi »evropski« enofazni porabnik priključili v vtičnico v ZDA? 9. VIRI: [1] Eletric power distribution handbook, T.A. Short, CRC Press [2] Eletric Distribution systems, Abdelhay A Sallam, OM P. Malik; A John Wiley & Sons, INC., Publication [3] http://electrical-engineering-portal.com/north-american-versus-europeandistribution-systems , dostopno 19.4.2015 [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Electric_distribution_network#cite_note-Short-1, dostopno 20.4.2015 [5] http://www.electrical-installation.org/enwiki/Low-voltage_distribution_networks, dostopno 20.4.2015 [6] http://en.wikipedia.org/wiki/Earthing_system, dostopno 20.4.2015 [7] http://en.wikipedia.org/wiki/Split-phase_electric_power, dostopno 21.4.2015 [8] http://ieeexplore.ieee.org.nukweb.nuk.unilj.si/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=847177, dostopno 21.4.2015 [9] http://ieeexplore.ieee.org.nukweb.nuk.unilj.si/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=759834, dostopno 21.4.2015 [10] http://en.wikipedia.org/wiki/Stray_voltage, dostopno 21.4.2015 [11] http://en.wikipedia.org/wiki/Distribution_transformer, dostopno 21.4.2015 18
