3 Načrtovanje TP v distribucijskih omrežjih
Transcription
3 Načrtovanje TP v distribucijskih omrežjih
Načrtovanje TP v distribucijskem omrežju Seminarska naloga pri predmetu Razdelilna in industrijska omrežja Boštjan Prelc, dipl. inž. el. (VS) Mentor: prof. dr. Grega Bizjak Ljubljana, marec 2015 Kazalo 1 Uvod ................................................................................................................................... 1 2 Postaje v električnem omrežju............................................................................................ 2 2.1 Razdelilna transformatorska postaja ............................................................................ 2 2.2 Transformatorska postaja ............................................................................................. 3 2.3 Razdelilna postaja ........................................................................................................ 4 2.4 Transformatorske postaje ............................................................................................. 5 2.4.1 3 Vrste transformatorskih postaj ............................................................................. 5 Načrtovanje distribucijskega omrežja .............................................................................. 11 3.1 Kriteriji načrtovanja distribucijskega omrežja ........................................................... 11 3.1.1 Kriterij obremenljivosti ...................................................................................... 11 3.1.2 Kriterij zanesljivega in varnega obratovanja ...................................................... 11 3.1.3 Kriteriji kakovosti obratovanja ........................................................................... 12 3.1.4 Ekonomski kriteriji ............................................................................................. 12 3.1.5 Kriterij predvidene dobe uporabe infrastrukture ................................................ 13 3.2 Proces načrtovanja distribucijskega omrežja ............................................................. 14 3.3 Cilji načrta razvoja omrežja ....................................................................................... 15 4 Osnove projektiranja transformatorskih postaj................................................................. 16 5 Vprašanja in naloga .......................................................................................................... 17 6 Viri in literatura ................................................................................................................ 19 Seznam slik Slika 1: Tipična enopolna shema RTP v Sloveniji. .................................................................... 3 Slika 2: Enopolna shema TP....................................................................................................... 4 Slika 3: Enopolna shema RP ...................................................................................................... 4 Slika 4: Stolpna TP ..................................................................................................................... 6 Slika 5: Stebrna TP ..................................................................................................................... 7 Slika 6: Montažna betonska TP .................................................................................................. 8 Slika 7: Kompaktna pločevinasta TP.......................................................................................... 9 Slika 8: Tloris industrijske TP .................................................................................................. 10 Slika 9: Proces načrtovanja omrežja ......................................................................................... 14 Seznam tabel Tabela 1: Maksimalne vrednosti SAIDI in SAIFI za Slovenijo .............................................. 12 1 Uvod Distribucijsko omrežje je ključno pri oskrbi z električno energijo, saj povezuje prenosne poti in končne odjemalce. V današnjem času je preskrba z električno enegijo obvezna. Za zagotavljanje možnosti priklopa, kakovosti in zanesljivosti ob predpostavki zmerne cene električne energije, je potrebno omrežje graditi in načrtovati po načelu optimalne rabe sredstev. Ključne v razdelilnem omrežju so transformatorske postaje, ki napetost prilagodijo uporabniški in delijo energijo med uporabnike. V delu bodo predstavljeni vrste in izvedbe postaj v omrežju, predstavljen postopek in kriteriji načrtovanja transformatorskih postaj ter na kratko opisane osnove projektiranja le-teh. 1 2 Postaje v električnem omrežju V električnem omrežju poznamo več vrst postaj. To so: razdelilna transformatorska postaja (RTP), transformatorska postaja (TP) in razdelilna postaja (RP). 2.1 Razdelilna transformatorska postaja Razdelilna transformatorska postaja je povezava med več vodi prenosnega ali distribucijskega omrežja. Ta tip postaje ponavadi sestavljajo visokonapetostno stikališče, srednjenapetostno stikališče in energetski transoformatorji, ki transformirajo napetost med obema stikališčema. Ker so izgube na visoki napetosti nižje, je smotrno razdelilne transformatorske postaje graditi v bližini mest oz. večjih odjemalcev, saj se tako kar najbližje pripelje VN daljnovod, izvodi pa so nadzemni ali kar kabelski. Lokacijo določa še bližina visokonapetostnih vodov, možnost dostopa po cesti, primerna oblika in velikost terena ter varnost pred poplavami in drugimi naravnimi nesrečami. Če je možnost, da se bo poraba še nadalje zviševala, je smotrno zakupiti bližnja zemljišča, kamor se bi se lahko RTP razširila. Razširitev se opravi z vgradnjo še enega transformatorja ali zamenjavo starega z močnejšim. Če smo omejeni s prostorom in je potrebna razširitev RTP, je edina možnost za razširitev gradnja GIS stikališč, ki zahtevajo manjšo površino. RTP-ji, ki obratujejo med visokonapetostnim in srednjenapetostnim nivojem, običajno obratujejo na napetosti 110/20 kV, ponekod v Sloveniji tudi še na 10 oz. 35 kV, vendar se ta nivoja opuščata. Dodatno je v RTP-jih VN/SN še transformator SN/NN, vsaj za napajanje lastne rabe. Za nivo SN/NN se ponavadi izraz RTP ne uporablja, čeprav funkcionalno ustreza shemi RTP-ja. 2 Slika 1: Tipična enopolna shema RTP v Sloveniji. 2.2 Transformatorska postaja Transformatorska postaja je enostavna postaja, v katero vodi en srednjenapestostni dovod. Sestavljena je iz dovoda, stikalnih aparatov, transformatorja in nizkonapetostne zbiralke z izvodi. Transformatorske postaje se gradijo v neposredni bližini odjemalcev, večinoma na prostem, nekatere pa kar v stavbah odjemalcev. Kot pri RTP-jih je tudi tu pomembna dostopnost terena z vozili in predvsem bližina odjemalcev, saj so izgube v nizkonapetostnih omrežjih še večje kot v srednjenapetostnih. Transformatorske postaje so cenejše, zato ob potrebi po povečanju moči zgradimo nove, tudi tu pa je možnost nadgraditi starejše. Če TP napaja nove skupine hiš, nove bloke ipd. se zgradi nov TP, ki pa se zgradi že pred ali takoj na začetku gradnje takega naselja, zato je potrebno pri načrtovanju omrežja poznati prostorske in lokacijske plane občin. Nazivne napetosti na TP v Sloveniji so 20/0,4 kV, 10/0,4 kV, 35/0,4 kV in nekatere druge posebne izvedbe (npr. 20/0,95 kV). 3 Slika 2: Enopolna shema TP. Vir: [1] 2.3 Razdelilna postaja Razdelilna postaja povezuje več vodov istega napetostnega nivoja in se zato gradi na stičiščih le-teh. Sestavljena je iz stikališča in več izvodov. V tem tipu postaje se transformacija napetosti na nižje nivoje ne opravlja. Na nivoju distribucije običajno obratujejo na nazivni napetosti 20 ali 10 kV. V praksi v bistvu skoraj ne najdemo objekta, ki bi ga lahko klasicirali v kategorijo RP, saj imajo ponavadi taki objekti v enem od prostorov še transformator SN/NN. Slika 3: Enopolna shema RP. Vir: [1] 4 2.4 Transformatorske postaje »Transformatorske postaje so elektroenergetski postroji, katerih naloga je sprememba napetostnega nivoja in razdelitev električne energije do porabnikov« [2]. Transformatorske postaje imajo naslednje naloge: zbiranje, transformacija in razdeljevanje električne energije, izvedba stikalnih manipulacij, zaščita elementov EES in izvedba meritev [2]. Za delovanje TP uporablja naslednja sredstva: transformator, dovode in odvode, stikalne aparate, naprave za krmiljenje, regulacijo ter upravljanje, merilne naprave in naprave za zaščito [2]. Po podatkih Sistemskega operaterja distribucijskega omrežja z električno energijo (SODO) in Sistemskega operaterja prenosnega elektroenergetskega omrežja (ELES) smo imeli dne 31. 12. 2013 v Sloveniji na nivoju VN/SN 87 RTP-jev v upravljanju elektrodistribucijskih podjetij ter 25 RTP-jev v upravljanju podjetja ELES. RTP-jev SN/SN je bilo 10, RP-jev na SN 81, TP na nivoju SN/NN pa 15.156 [3, 4]. 2.4.1 Vrste transformatorskih postaj Transformatorske postaje najprej delimo na razdelilne transformatorske postaje (RTP) in napajalne transformatorske postaje, kjer se opravlja transformacija na porabniško napetost. Napajalne transformatorske postaje nadalje delimo na: podeželske transformatorske postaje, mestne transformatorske postaje in industrijske transforamtorske postaje [1]. 5 2.4.1.1 Podeželske transformatorske postaje Običajno so manjših moči, od 10 do 630 kVA. Poznamo zidane stolpne (starejša izvedba) in postaje na stebru. Podeželske transformatorske postaje so postavljene ob robu (zidane) ali v sredini manjših krajev (jamborske). 2.4.1.1.1 Stolpna izvedba Stolpna izvedba podeželske TP je zastarela izvedba. Taka izvedba je bila potrebna zaradi potrebnih razdalj med vodniki in zbiralkami na SN strani. Tudi transformatorji so bili včasih za enake moči občutno večji kot so danes. Postaje imajo v zgornjem prostoru SN zbiralke s stikalnimi napravami in varovalkami ter prenapetosntnimi odvodniki, v spodnjem pa transformator in NN zbiralke [5]. Srednjenapetostni dovod je večinoma izveden nadzemno, nizkonapetostni odvodi pa so v nadzemni ali podzemni izvedbi. Moči takih TP segajo do 630 kVA. Ta tip se zaradi velikih stroškov izgradnje ne gradi več, že zgrajene in dobro ohranjene TP te vrste pa se obnavljajo [5]. Slika 4: Stolpna TP. Foto: avtor 6 2.4.1.1.2 Stebrna izvedba Ta tip TP se skoraj vedno uporablja za napajanje samotnih kmetij in zaselkov ter v manjših krajih. Stebrne postaje so najprej montirali na jeklene stebre ali na lesene A-stebre, v zadnjih časih pa se montirajo večinoma na betonske stebre. Prednosti stebrne izvedbe sta cena in enostavnost izvedbe, slabost pa izpostavljenost atmosferskim vplivom. Zaradi te slabosti morajo biti elementi grajeni za take pogoje, potrebnega pa je tudi več vzdrževanja [5]. Oprema novejših, na stebru montiranih TP je: transformator (običajen ali žepni), ločilno stikalo ali samo ločilnik, varovalke, merilne naprave, prenapetostni odvodniki in nizkonapetostna razdelilna omarica [1]. Pri tem tipu je srednjenapetostni dovod izveden nadzemno, nizkonapetostni odvodi pa so v nadzemni ali podzemni izvedbi. Moči takih TP so do 250 kVA. Slika 5: Stebrna TP. Foto: avtor 7 2.4.1.2 Mestne transformatorske postaje Mestne transformatorske postaje imajo običajno kabelski dovod in odvod in so večjih moči kot podeželjske transformatorske postaje. Postavljene so ob večjih javnih ustanovah, med skupino stanovanjskih blokov ali hiš... V mestu so zemljišča dražja, zato so te TP velikostno optimirane [1]. Zaradi cenovne dostopnosti SN odklopnikov, zaščitnih aparatov in opreme daljinskega vodenja ter dostopnosti telekomunikacijske infrastrukture v mestih so v zadnjih časih grajene tudi daljinsko vodene. Slika 6: Montažna betonska TP. Foto: avtor Delimo jih lahko glede na izvedbo: montažne betonske, montažne pločevinaste, kontejnerske in kompaktne pločevinaste [1]. Ta tip TP sestavlja srednjenapetostni kabelski dovod s stikalnimi napravami, transformator, merilne in zaščitne naprave, nizkonapetostne zbiralke in odvodi. 8 Slika 7: Kompaktna pločevinasta TP. Foto: avtor 2.4.1.3 Industrijske transformatorske postaje Industrijske transformatorske postaje so večjih moči kot transformatorske postaje za široki odjem. Običajno so izvedene kot montažne betonske ali pločevinaste, velikokrat pa so vgrajene v prostore stavbe podjetja. Večina teh TP je v lasti podjetja, katerega napaja, zato je TP pogosto dodan še agregat in kompenzator jalove energije. Moči takih TP so do 2500 kVA [2]. Industrijsko transformatorsko postajo sestavljajo: srednjenapetostni (kabelski) dovod, stikalne naprave, transformator, merilna in zaščitna oprema, nizkonapetostno stikališče, kompenzacijske naprave z regulacijo in agregat [2]. 9 Slika 8: Tloris industrijske TP. Vir: [2] 10 3 Načrtovanje distribucijskega omrežja Osebe, zadolžene za načrtovanje distribucijskega omrežja, morajo planirati omrežje vsaj za 2, ponavadi pa za 10 let vnaprej [7]. Ob tem morajo upoštevati: zgodovino in napovedi porabe, zmogljivosti postaj in vodov, ocene možnosti izpadov dobave (LOL – Loss of load) in ekonomske ter tehnične posledice izpadov, standarde, vplive razpršenih virov energije, napovedi razvoja ter proizvodnje le-teh, ekonomiko in tehnične zmožnosti razvoja in državne smernice razvoja, ki jih v Sloveniji določa SODO [6, 7]. Naslednji podsklopi (3.1, 3.2 in 3.3) so povzeti po Načrtu razvoja distribucijskega omrežja električne energije v Republiki Sloveniji za desetletno obdobje od leta 2013 do 2022. V delu se bomo omejili na kriterije in postopke, ki se nanašajo na transformatorske postaje. 3.1 Kriteriji načrtovanja distribucijskega omrežja 3.1.1 Kriterij obremenljivosti Obremenitev energetskih transformatorjev v normalnem obratovalnem stanju ne sme nikoli doseči nazivne obremenitve, ker je potrebno v izrednem obratovalnem stanju zagotoviti prenapajanje odjemalcev in bi posledično lahko prišlo do hudih preobremenitev transformatorjev in velikih padcev napetosti. Pri načrtovanju je dopustno kratkotrajno obratovanje transformatorjev v RTP-jih z 120% nazivne moči. Dopustne obremenitve energetskih transformatorjev v RTP-jih VN/SN so: v RTP z dvema transformatorjema 60% nazivne moči in v RTP s tremi transformatorjemi 80% nazivne moči. 3.1.2 Kriterij zanesljivega in varnega obratovanja Kriteriji zanesljivega in varnega obratovanja se nanašajo predvsem na strukturo omrežij in povezano zagotavljanje neprekinjene dobave električne energije. Če je le mogoče, se upošteva kriterij n-1. Pomembno je upoštevati še padce napetosti ob prenapajanjih in na podlagi optimalne porazdelitve odjema na različne TP pripraviti obratovalna navodila sistema. 11 3.1.3 Kriteriji kakovosti obratovanja 3.1.3.1 Neprekinjenost dobave Eden najpomembnejših kriterijev pri načrtovanju in odločitvi za postavitev nove ali prenovo stare transformatorske postaje je neprekinjenost dobave. Parametra, ki ju pri določanju tega kriterija uporabljamo sta: paramter SAIDI, ki ima enoto minuta/odjemalca in prikazuje skupni čas, ko odjemalec ni bil oskrbovan z električno energijo ter parameter SAIFI, ki ima enoto prekinitev/odjemalca in prikazuje skupno število izpadov dobave električne energije pri določenem odjemalcu. Za Slovenijo morata kriterija ustrezati vrednostim, prikazanim v tabeli 1. Tabela 1: Maksimalne vrednosti SAIDI in SAIFI za Slovenijo. Vir: [6]. Območje SAIDI [min/odjemalca] SAIFI [prekinitev/odjemalca] Podeželje 30 0,8 Mesto 14 0,4 3.1.3.2 Dopustni padci in nihanja napetosti Drug pomemben kriterij pri načrtovanju SN in NN omrežij se nanaša na dovoljene padce napetosti v omrežju. Kriteriji kakovosti napetosti so podani v standardu SIST EN 50160. Za SN omrežje je dovoljen padec napetosti 7,5%. V času rezervnega napajanja je lahko ta padec še 5% višji. Za primerno napetost pri odjemalcih se poskrbi z ustrezno izbiro odcepov transformatorjev v RTP-jih in TP-jih. V nizkonapetostna omrežja odjemalci s svojimi napravami vnašajo veliko motenj, posledica pa je popačitev oblike napetostnega vala. Efekt se da omiliti le z gradnjo nizkoimpedančnih omrežij, za kar so primerni podzemni kabli. Maksimalni padec napetosti v NN omrežju je lahko 5%. Če ni mogoče zagotoviti primerne napetosti pri odjemalcih je potrebno zmanjšati impedanco omrežja s postavitvijo novih vodov ali TP. 3.1.4 Ekonomski kriteriji Pri načrtovanju omrežja je glavni kriterij, ki postavlja mejo razvoja ekonomika. Pri načrtovanju omrežja se optimizira investicije: 12 z načrtovanjem različnih variant rešitev, z ugotavljanjem stroškov obratovanja in vzdrževanja, kamor spadajo tudi stroški nedobavljene energije, s tipizacijo opreme (tipizacija se izvaja znotraj podjetja za distribucijo z namenom olajšanja dela operaterjem in delavcem na terenu), z ustrezno izbiro proizvajalcev opreme. 3.1.5 Kriterij predvidene dobe uporabe infrastrukture Glede na predvideno dobo in dejansko stanje infrastrukture se lahko vnaprej načrtuje vzdrževalna dela, prenove in novogradnje. Kriterij je odvisen od več dejavnikov, predvsem od atmosferskih pogojev, rednega vzdrževanja opreme in lastnosti obratovanja (preobremenitve...). Opremo se menja tudi zaradi funkcionalne in tehnične zastarelosti. 13 3.2 Proces načrtovanja distribucijskega omrežja Načrtovanje distribucijskega omrežja je dolgotrajen in zahteven postopek. V veliko pomoč načrtovalcem so računalniška orodja npr. programski paket GREDOS, ki se uporablja na področju Slovenije. Najprej razvijalec glede na spremembe napovedi porabe in predvsem koničnih obremenitev, ki jih vnese v program, preveri obremenitve elementov v omrežju in izpolnjevanje kriterijev načrtovanja, kjer je posebno pomemben kriterij maksimalnih padcev napetosti. Če sistem ne zadovoljuje kriterijev, je potrebno iskati možnosti za ojačitev omrežja, pri čemer se lahko izdela več rešitev, izbere pa najugodnejšo. Rešitve se poda v načrt razvoja, kjer se določi še prioritete in roke za izgradnje. Izdela se več variant načrtov razvoja, nato pa se preveri še ekonomske kriterije načrtov. Slika 9: Proces načrtovanja omrežja. Vir: [6] 14 3.3 Cilji načrta razvoja omrežja Glavni cilji razvoja distribucijskega omrežja v Sloveniji do leta 2022 so: zadostiti načrtovani in dejanski porabi ter potrebam po električni moči, omogočiti vključevanje razprešnih virov električne energije, zagotoviti tehnično, stroškovno in funkcionalno učinkovito omrežje, zagotoviti varovanje okolja in zagotoviti stabilnost, zanesljivost in razpoložljivost omrežja ter dvigniti oz. ohranjati kakovost električne energije. 15 4 Osnove projektiranja transformatorskih postaj Za izdelavo načrtov so zadloženi projektanti, ki od načrtovalcev omrežja prejmejo potrebne podatke o konični moči, nazivni moči in letni porabi. Projektanti morajo izračunati električne parametre opreme in poiskati primerno rešitev za izvedbo. Pri projektiranju morajo biti pozorni na: zanesljivost dobave (rezervne celice, primerna obratovalna navodila...), možnost razširitve TP (prostor za dodatne celice in drugo opremo, pri RTP možnost razširitve z zakupom bližnjih parcel), možnost opravljanja vzdrževalnih del na objektu, možnost upravljanja z objektom, primerno izbiro zaščitnih sistemov, izbiro ustreznega izvajalca del in proizvajalca opreme, ekonomičnost in okoljsko sprejemljivost objekta in rešitev [6, 8, 9]. Pri projektiranju ter po gradnji se glede na namen uporabe in po potrebi izdela več projektov: idejno zasnovo (IDZ), katere namen je pridobitev projektnih pogojev oziroma soglasij za priključitev pristojnih soglasodajalcev, idejni projekt (IDP), katerega namen je izbor najustreznejše variante nameravanega objekta, projekt za pridobitev gradbenega dovoljenja (PGD), katerega namen je pridobitev gradbenega dovoljenja, projekt za izvedbo (PZI), katerega namen je izvedba gradnje, projekt izvedenih del (PID), katerega namen je pridobitev uporabnega dovoljenja [10]. 16 5 Vprašanja in naloga a) Katere vrste postaj poznamo na nivoju distribucije in kakšne so običajne nazivne napetosti na le-teh? Narišite enopolne sheme. Poznamo razdelilne transformatorske postaje (RTP), razdelilne postaje (RP) in transformatorske postaje (TP). Razdelilne transformatorske postaje običajno obratujejo na nazivni napetosti 110/20 kV. Enopolna shema RTP: Razdelilne postaje obratujejo na enem napetostnem nivoju, ponavadi na srednji napetosti (20 kV). Enopolna shema RP: Transformatorske postaje so postaje, ki napajajo končne odjemalce. Večina obratuje na nazivnih napetostih 20/0,4 kV. Enopolna shema TP: 17 b) Katere vrste TP poznamo? Naštejte še izvedbe. TP ločimo na podeželske, mestne in industrijske. Izvedbe podeželjskih TP. stolpna (se ne gradi več) in stebrna. Izvedbe mestnih TP: montažne betonske, montažne pločevinaste, kontejnerske in kompaktne pločevinaste. Industrijske TP so izvedene na enak način kot mestne TP ali pa so vgrajene v stavbi obrata, katerega napajajo. c) Naštejte kriterije načrtovanja distribucijskega omrežja in navedite bistvene podatke. Kriterij obremenljivosti Obremenitev transformatorjev v RTP-jih ne sme nikoli doseči nazivne obremenitve, saj potrebujemo rezervo za izredna obratovalna stanja. Dopustne obremenitve energetskih transformatorjev v RTP-jih VN/SN so v RTP z dvema transformatorjema 60% nazivne moči in v RTP s tremi transformatorjemi 80% nazivne moči. Kriterij zanesljivega in varnega obratovanja Kriterij zanesljivega in varnega obratovanja govori o strukturi omrežij in neprekinjenosti dobave električne energije. Omrežje mora ustrezati kriteriju n-1. Kriterij kakovosti obratovanja Neprekinjenost dobave: o paramter SAIDI [min/odjemalca]: prikazuje skupni čas, ko odjemalec ni bil oskrbovan z električno energijo o parameter SAIFI [prekinitev/odjemalca]: prikazuje skupno število izpadov dobave električne energije pri določenem odjemalcu Dopustni padci napetosti v omrežju: o SN: 7,5% v normalnem obratovalnem stanju, 12,5% v izrednem obratovalnem stanju o NN: 5% d) NALOGA: Prelistajte Načrt razvoja distribucijskega omrežja električne energije v Republiki Sloveniji za desetletno obdobje od 2013 do 2022. Povezava: http://www.sodo.si/_files/668/NRO_2011_2020_SODO_soglasje.pdf. 18 6 Viri in literatura [1] Jože Pihler: Stikalne naprave elektroenergetskega sistema. FERI Maribor, 2003. [2] Milan Guzej: Načrtovanje transformatorske postaje TP Konti. Diplomsko delo. Maribor, 2014. [3] SODO: Omrežje [Online]. Dosegljivo: http://www.sodo.si/omrezje/omrezje. [Dostopano: 19. 3. 2015]. [4] ELES: Elementi prenosnega omrežja [Online]. Dosegljivo: http://www.eles.si/slovenskoprenosno-omrezje/elementi-prenosnega-omrezja.aspx. [Dostopano: 19. 3. 2015]. [5] David Počivavšek: Uporaba 0,95 kV napetostnega nivoja v distribucijskih transformatorskih postajah. Diplomsko delo. Maribor, 2009. [6] SODO: Načrt razvoja distribucijskega omrežja električne energije v Republiki Sloveniji za desetletno obdobje od leta 2013 do 2022 [Online]. Dosegljivo: http://www.sodo.si/_files/668/NRO_2011_2020_SODO_soglasje.pdf. [Dostopano: 19. 3. 2015]. [7] Sallam Abdelhay A., Malik Om P.: Electric distribution systems. IEEE Press, 2011. [8] Marjan Strnad: Načrtovanje in izgradnja transformatorskih postaj. Diplomsko delo. Ljubljana, 2007. [9] Colin Bayliss and Brian Hardy: Transmission and Distribution Electrical Engineering (Third edition). Oxford, 2007. [10] Pravilnik o projektni dokumentaciji. Uradni list RS, št. 55/2008. 19