Žilinská univerzita v Žiline

Elektrotechnická fakulta

Katedra výkonových elektrotechnických systémov

Diplomová práca

Analýza a návrh kompenzačných zariadení s ohľadom na kvalitu odoberanej elektrickej energie

2007 Adam Pramuka

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko a meno: Pramuka Adam Rok: 2007

Názov diplomovej práce: Analýza a návrh kompenzačných zariadení s ohľadom na

kvalitu elektrickej energie

Fakulta: elektrotechnická Katedra: výkonových elektrotechnických systémov

Počet strán: 58 Počet obrázkov: 12 Počet tabuliek: 5

Počet grafov: 6 Počet príloh: 5 Počet použitých literatúr: 17

Anotácia: (slovenský jazyk):

Táto diplomová práca sa zaoberá problematikou kompenzácie účinníka v sieťach nízkeho napätia. V prvej časti ponúka ucelenú teóriu potrebnú na zvládnutie problematiky a zaoberá sa príčinami vzniku odberu so zhoršeným účinníkom. Ďalej rieši návrh oboch druhov kompenzačných zariadení a popisuje konštrukciu zhotoveného kompenzačného rozvádzača, ktorý predstavuje praktický prínos tejto práce. Záver práce je venovaný technicko-ekonomickým aspektom kompenzácie a normatívam platným pre túto oblasť.

Anotácia: (anglický jazyk):

This diploma work deals with the problem of power factor compensation in the low voltage electric network. In the first part it offers the whole theory, which is necessary for encompassment of this problem and it deals also with the causality of energy demand by aggravated power factor. Next it handles the layout of both types of compensation devices and describes the construction of the switchgear, witch was buil and is a practical gain of this diploma work. The last part is dedicated to technical-economic aspects of power factor compensation and correspondent valid standards too.

Kľúčové slová: účinník, jalový výkon, kompenzačné zariadenie;

Vedúci diplomovej práce a konzultant: Doc. Ing. Alena Otčenášová PhD.

Recenzent diplomovej práce: Dátum odovzdania diplomovej práce: 21. 5. 2007

Zoznam použitých symbolov a skratiek

a – koeficient zvýšenia napätia na kondenzátore

A – integračná konštanta Fourierovho rozvoja

B – integračná konštanta Fourierovho rozvoja

C – kapacita kondenzátora

CK – kapacita kompenzačného kondenzátora

cosφ – účinník odberu

cosφk – účinník po kompenzácii

CHL – činiteľ harmonického zaťaženia kondenzátoru

D – veľkosť deformačného výkonu

f – frekvencia

fr – rezonančná frekvencia LC obvodu

f1 – frekvencia základnej harmonickej zložky

gi – činiteľ deformácie

h – rád harmonickej zložky

i – okamžitá hodnota prúdu

I – efektívna hodnota prúdu

IC – efektívna hodnota prúdu kondenzátora

Ič – veľkosť činnej zložky prúdu

Ij – veľkosť jalovej zložky prúdu

Im – amplitúda prúdu •

I - fázor prúdu •

j - jednotkový vektor posunutia o 90º elektrických

L – indukčnosť cievky

LF – indukčnosť filtračnej tlmivky

LTR – indukčnosť transformátora

P – veľkosť činného výkonu

∆P – činné straty

Q – veľkosť jalového výkonu

QC – veľkosť kapacitného jalového výkonu

QL – veľkosť induktívneho jalového výkonu

QK – veľkosť kompenzačného jalového výkonu

R – činný odpor (rezistancia)

s – okamžitá hodnota zdanlivého výkonu

S – veľkosť zdanlivého výkonu

t – čas

THDi – činiteľ harmonického skreslenia prúdu

THDu – činiteľ harmonického skreslenia napätia

u – okamžitá hodnota napätia

U – efektívna hodnota združeného napätia

UC – efektívna hodnota napätia na kondenzátore

Uf – efektívna hodnota fázového napätia

Um – amplitúda napätia

Un – efektívna hodnota menovitého združeného napätia

∆U – veľkosť úbytku napätia

W – energia elektrického poľa •

Z - fázor impedancie

Z – veľkosť impedancie

X – reaktancia

XC – kapacitná reaktancia

XL – induktívna reaktancia

φ – fázový posun

λ – faktor výkonu

ω – uhlová frekvencia

CHL – Capacitor Harmonic Load

F-K – Filtračno-Kompenzačné

HDO – Hromadné Diaľkové Ovládanie

I> - prúdové preťaženie

CHKZ – Chránené Kompenzačné Zariadenie

NKZ – Nechránené Kompenzačné Zariadenie

KZ – Kompenzačné Zariadenie

NS – Nadradená Sústava

PTP – Prístrojový Transformátor Prúdu

THD – Total Harmonic Distortion (ang.)

TR - TRansformátor

Úvod

Náplňou tejto práce je komplexné priblíženie problematiky kompenzácie jalového

výkonu v sieťach nízkeho napätia. Počas prevádzky kompenzačných zariadení, ktoré sa

u nás aplikujú už niekoľko desiatok rokov, sa do popredia dostávajú otázky týkajúce sa

príčin vzniku poruchových stavov týchto zariadení, súčasne s otázkami ich použitia

s ohľadom na ich ekonomickú výhodnosť, bezpečnú a spoľahlivú prevádzku, či ich

minimálny negatívny vplyv na napájaciu sieť. V prvej časti práce uvádzam teoretické

poznatky, ktorých znalosť je podmienkou, pre zvládnutie popisovanej problematiky a na

ktoré sa budem odvolávať pri pojednávaní o jednotlivých častiach kompenzačných

zariadení, či pri analýze prevádzkových stavov zariadenia ako takého. Ďalej chcem

priblížiť rozdelenie kompenzačných zariadení podľa miesta a spôsobu ich nasadenia

a taktiež podľa funkčnosti a princípu činnosti. V druhej časti práce sú popísané jednotlivé

spôsoby kompenzácie resp. jednotlivé kompenzačné zariadenia tak, ako sa aplikujú

v praxi. Práca by mala slúžiť širokej odbornej verejnosti, hlavne organizáciám,

zaoberajúcimi sa kompenzáciou jalového výkonu v praxi, ako vhodná pomôcka pri návrhu

takýchto zariadení, prípadne pri vyšetrovaní ich prevádzkových či poruchových stavov.

Autor

Obsah

Úvod ......................................................................................................................................8

1. Teoretická analýza problematiky ..................................................................................9 1.1 Analýza odberu v rozvodnej sieti nízkeho napätia.....................................................9

1.2 Spotrebiče jalového výkonu.......................................................................................9 1.3 Fyzikálny model záťaže...........................................................................................10 1.4 Fyzikálny princíp kompenzácie účinníka.................................................................12

2. Kompenzácia účinníka...................................................................................................15

2.1 Následky odberu so zhoršeným účinníkom............................................................15 2.1.1 Technické aspekty odberu so zhoršeným účinníkom.......................................15

2.1.2 Ekonomické aspekty odberu so zhoršeným účinníkom...................................16 2.2 Spôsoby kompenzácie účinníka.............................................................................17

3. Kompenzačné zariadenia..............................................................................................20

3.1 Kompenzačné prostriedky.....................................................................................20 3.2 Rozdelenie kompenzačných zariadení...................................................................21 3.3 Aktívne filtre..........................................................................................................22 3.4 Filtračno-kompenzačné zariadenia........................................................................23 3.5 Klasické kompenzačné zariadenia.........................................................................26 3.6 Harmonické v elektrických sieťach.......................................................................26 3.7 Interakcia kompenzačných zariadení a signálu HDO............................................28

4. Nechránené kompenzačné zariadenia.........................................................................30 4.1 Konštrukcia NKZ...................................................................................................30 4.2 Konštrukčné časti NKZ..........................................................................................31 4.3 Kondenzátor ako prvok NKZ.................................................................................33 4.4 Rezonancia v sieťach s NKZ..................................................................................34

4.5. Návrh a konštrukcia NKZ.......……...………….......….......……….....................35 4.5.1 Návrh parametrov NKZ…………………………………………….…….35 4.5.2 Konštrukcia NKZ……...…………………………………..……………...38

4.6 Meranie na kompenzačnom rozvádzači…….………………..……………….....42

5. Chránené kompenzačné zariadenia……………………………….....…...…………44 5.1 Rezonančné filtre…………………………………………………….........….…44 5.2 Návrh CHKZ……………………………………………………………............46 5.3 Technicko-ekonomické aspekty výberu KZ……………………….……............51 5.4 Normatívy platné pre oblasť kompenzácie účinníka……………….…........…...53

Záver....................................................................................................................................55

Zoznam príloh.....................................................................................................................56

Zoznam použitej literatúry................................................................................................57

Čestné prehlásenie..............................................................................................................58

1. TEORETICKÁ ANALÝZA PROBLEMATIKY

1.1 Analýza odberu v rozvodnej sieti nízkeho napätia

Posledným článkom v reťazci verejných rozvodných sietí je napäťová hladina 0,4 kV,

presnejšie štvorvodičová sústava trojfázových napätí 3 x 230/400V s priemyselnou

frekvenciou 50Hz. Okrem toho, že táto sústava pracuje s najnižším napätím, je

charakteristická aj najnižším skratovým výkonom, ktorý je aj limitujúcim faktorom pre

veľkosť a množstvo pripojených odberateľov. Preto sú na spomínanú sieť napojení len

maloodberatelia t.j. domácnosti resp. priemyselné prevádzky s malým strojovým parkom.

Energetická náročnosť pripojenej domácnosti je vzhľadom na celkové výkony prenášané

distribučnou sieťou zanedbateľná, preto sa s kompenzáciou v týchto podmienkach

neuvažuje. Inštalovaný výkon priemyselných prevádzok je niekoľkonásobne vyšší a okrem

toho ho tvorí z veľkej časti práve výkon jalový. Asynchrónne motory, transformátory

a polovodičové zariadenia, ktoré pre svoje fungovanie takýto výkon odoberajú, sú

súčasťou technologického vybavenia väčšiny priemyselných podnikov. Z hľadiska tejto

práce sú zaujímavé už spomínané spotrebiče nielen doberaným jalovým výkonom, ale aj

ich spätným vplyvom na napájaciu sieť. Nelinearita indukčných strojov a polovodičových

zariadení spôsobuje odber neharmonických prúdov a pôsobí tak negatívne aj na ostatné

zariadenia zapojené do siete, v neposlednom rade aj na pripojené kompenzačné zariadenia.

1.2 Spotrebiče jalového výkonu

Zariadenia, v ktorých sa uskutočňuje prenos energie prostredníctvom

elektromagnetickej indukcie, ako napr. u transformátorov medzi vinutiami alebo u

točivých strojov medzi statickými a rotujúcimi časťami, sú príkladnými spotrebičmi tzv.

jalového výkonu. Pre potrebu vytvorenia magnetického poľa odoberá takýto spotrebič zo

siete počas svojej prevádzky výkon potrebný na zmagnetizovanie svojho magnetického

obvodu. Tento výkon nekoná z pohľadu užívateľa činnú prácu, ale napriek tomu je pre

fungovanie zariadenia nevyhnutný. Ďalšou vlastnosťou spomínaných spotrebičov je

skutočnosť, že tieto počas chodu jalový výkon striedavo odoberajú a dodávajú. Hovoríme

teda, že tento výkon prostredníctvom vedenia periodicky kmitá medzi zdrojom

a spotrebičom.

1.3 Fyzikálny model záťaže

Elektrické vlastnosti spotrebiča dané jeho R, L, C parametrami charakterizujeme

v obvode so striedavým napätím jeho impedanciou Z& , ktorá je daná vektorovým súčtom

rezistancie R, induktívnej reaktancie XL a kapacitnej reaktancie XC nasledovne

ϕ∠=−+= ZXjXjRZ CL&&& (Ω), (1.1)

kde je jednotkový vektor posunutia a φ uhol fázora impedancie °∠= 901j& Z& s reálnou

osou. V prípade, že je záťaž čisto odporová a platí XL, XC = 0 potom φ = 0˚ a prúd je vo

fáze s napätím. Krajné prípady nastanú ak je spotrebičom ideálny kondenzátor, čiže R, XL =

0 potom φ = - 90˚ resp. ideálna cievka, kedy R, XC = 0 potom φ = 90˚ .

Ak sú v obvode zapojené len lineárne prvky a okamžitá hodnota napájacieho napätia má

tvar

( ) ( )tUtu ωsinm ⋅= (V), (1.2)

potom pre prúd odoberaný zo zdroja môžeme napísať

( ) ( ) ( ϕ+ω⋅=ϕ+ω⋅= tItZ

Uti sinsin mm ) (A). (1.3)

Uhol φ v argumente funkcie sínus určuje fázový posun, čiže uhol, ktorý zvierajú fázory

napätia a prúdu v Gaussovej rovine.

a) b)

Obr. 1.1 Časový priebeh harmonického napätia a prúdu v obvode s

a) cievkou b) kondenzátorom

Okamžitá hodnota výkonu v obvode so striedavým prúdom je daná súčinom

( ) ( ) ( ) ( ) ( )ϕωω +⋅⋅⋅=⋅= tItUtituts sinsin mm (V.A). (1.4)

Takto definovaný jednofázový výkon určuje celkové energetické pomery v uzavretom

obvode v každom okamihu. Súčin efektívnych hodnôt napätia a prúdu dáva tzv. zdanlivý

výkon, pre ktorý platí

IUS ⋅= (V.A). (1.5)

V obvodoch s lineárnymi spotrebičmi má tento výkon dve zložky, výkon činný a výkon

jalový. Veľkosť činného výkonu je daná súčinom efektívnych hodnôt napätia a prúdu a je

úmerná kosínusu uhla fázového posunu podľa vzťahu

ϕcos⋅⋅= IUP (W), (1.6)

kde cosφ je účinník odberu, ktorý vyjadruje pomer výkonu činného a zdanlivého

SP

=ϕcos (-). (1.7)

Veľkosť jalového výkonu dostane z výkonového trojuholníka 22 PSQ −= alebo

ϕsin⋅⋅= IUQ (var). (1.8)

Z uvedeného vyplýva, že v striedavých obvodoch s lineárnymi spotrebičmi sa

odoberaný zdanlivý výkon rozdelí úmerne sínusu resp. kosínusu uhla fázového posunu

medzi napätím a prúdom v obvode, na výkon jalový a výkon činný. Spotrebič, ktorého

impedancia má len reálnu zložku, teda nespôsobuje fázový posun, neodoberá podľa (1.7)

žiaden jalový výkon.

Okrem už spomínaných zariadení, ktoré potrebujú jalový výkon pre zmagnetizovanie

svojich častí, dochádza k odberu tohto výkonu aj u elektronických aplikácií, kde fázový

posun medzi napätím a prúdom spôsobujú polovodičové ventily, ktoré spínajú s určitým

oneskorením. V takýchto zapojeniach pre obvodové veličiny neplatí Ohmov zákon

a nazývame ich nelineárne spotrebiče, pretože odoberajú zo zdroja neharmonický prúd. Pre

zdanlivý výkon v takýchto obvodoch môžeme napísať:

222 DQPS ++= (V.A), (1.9)

kde D je deformačný výkon spotrebiča a definujeme ho vzťahom:

([ ])∑∑∞

=

∞

=

−⋅⋅⋅⋅⋅−⋅+⋅=1k 1l

lklkflf2k

2fl

2l

2f cos2 ϕϕIIUUIUIUD kk (V.A). (1.10)

Pre úplnosť uvádzam aj vzťahy pre zdanlivý, činný a jalový výkon v takýchto obvodoch:

∑∑∞

=

∞

=

⋅=1k

2k

1k

2fk IUS (V.A), (1.11)

∑ ∑∞

=

∞

=

=ϕ⋅⋅=0k 0k

kkkfk cos PIUP (W), (1.12)

(var). (1.13) ∑ ∑∞

=

∞

=

=ϕ⋅⋅=0k 0k

kkkfk sin QIUQ

Jednotlivé l-té a k-té členy dostaneme, keď neharmonickú funkciu rozložíme na

harmonické zložky podľa Fourierovej teorémy. Výkonové pomery charakterizuje faktor

výkonu daný:

icos gSP

⋅ϕ==λ (-), (1.14)

kde gi je tzv. činiteľ deformácie, definovaný ako pomer efektívnej hodnoty základnej

harmonickej prúdu k celkovej efektívnej hodnote neharmonického deformovaného prúdu.

Úvahu o jalovom výkone môžeme zavŕšiť tým, že si uvedomíme, že tento môže podľa

definície (1.7) nadobúdať „kladné“ hodnoty pre 2/;0 π∈ϕ , vtedy ho nazývame jalový

výkon induktívneho charakteru a „záporné“ hodnoty pre 0;2/π−∈ϕ , kedy má jalový

výkon charakter kapacitný. Väčšina priemyselne používaných elektrospotrebičov odoberá

zo siete práve induktívny jalový výkon, ktorého kompenzáciu táto práca rieši.

1.4 Fyzikálny princíp kompenzácie účinníka

Skutočnosť, že spotrebiče, ktoré potrebujú pre svoje fungovanie prítomnosť

magnetického poľa, používajú na jeho generovanie cievku, zapríčiňuje vznik fázového

posunu v ich obvode a odber induktívneho jalového výkonu. Toto sa navonok z pohľadu

siete javí ako odber so zhoršeným účinníkom, ktorý je nutné kompenzovať. Dôvody prečo

je dôležité kompenzovať sú uvedené v kapitole 2. V obvode s induktorom sa prúd

oneskoruje za napätím a táto skutočnosť je príčinou odberu jalového výkonu.

Jeho veľkosť je daná vzťahom

L

2f

L XUQ = (var), (1.15)

kde Uf (V) je efektívna hodnota fázového napätia a XL je induktívna reaktancia

definovaná

LfLX ⋅⋅π⋅=⋅ω= 2L (Ω), (1.16)

kde ω (rad.s-1) je uhlová frekvencia, f (Hz) je frekvencia napájacieho napätia a L (H)

indukčnosť cievky

Zaraďme preto do obvodu prvok, ktorý bude vytvárať opačný fázový posun ako

cievka. Takúto vlastnosť má kondenzátor. Tento bude po pripojení do obvodu odoberať zo

zdroja kapacitný jalový výkon daný vzťahom

C

2f

C XUQ = (var), (1.17)

kde XC je kapacitná reaktancia, pre ktorú platí

CfCX

⋅⋅π⋅=

⋅ω=

211

C (Ω), (1.18)

kde C (F) je kapacita kondenzátora. Veľkosť celkového jalového výkon Q je daná takto

CL QQQ += (var). (1.19)

Pre prúd v takomto zapojení potom píšeme

( ) ( ) ( )vysmCLm sinsin ϕ+ω=ϕ+ϕ+ω= tIt

ZUti (A), (1.20)

kde φL (rad) je fázový posun spôsobený cievkou, φC (rad) fázový posun zapríčinený

kondenzátorom a φvys (rad) je výsledný fázový posun v obvode.

Ak chceme teda, aby bol jalový výkon odoberaný zo zdroja nulový, musí podľa (1.7)

platiť 00sin =⇔= ϕϕ ˚. Ak splníme túto podmienku, budú prúd a napätie vo fáze a zo

zdroja bude podľa (1.5) odoberaný len činný výkon. V takomto prípade bude podľa vzťahu

(1.18) . Tento poznatok môžeme považovať za princíp kompenzácie ako takej.

Fyzikálna podstata kapacitora a induktora uvedená v kapitole 1.3 spája tieto dva zotrvačné

prvky s existenciou jalového výkonu.

CĹ QQ −=

Po pripojení kondenzátora s kapacitou C (F) na zdroj harmonického napätia

s efektívnou hodnotou U (V), potečie obvodom nabíjací prúd, ktorý je nevyhnutný pre

tvorbu elektrického poľa vo vnútri kondenzátora. Vytvorené elektrické pole je

charakteristické svojou energiou, ktorej veľkosť určíme zo vzťahu

2C 2

1 UCW ⋅⋅= (J). (1.21)

Kondenzátor je schopný túto energiu akumulovať, prípadne ju odovzdať do obvodu.

Proces „nabíjania“ a „vybíjania“ prebieha v kondenzátore s frekvenciou napájacieho

napätia.

Na cievke o indukčnosti L (H) pripojenej na striedavé napätie s efektívnou hodnotou

U (V) periodicky vzniká a zaniká magnetické pole. Veľkosť energie naakumulovanej

v tomto poli určíme zo vzťahu

2L 2

1 ILW ⋅⋅= (J). (1.22)

Keď sú takéto dva prvky paralelne spojené a pripojené na sieť, dochádza medzi nimi

k výmene energie naakumulovanej v ich poliach. Hovoríme, že medzi nimi kmitá alebo

„cirkuluje“ jalový výkon. Tento potom nemusí byť odoberaný zo siete. Na výhody

takéhoto riešenia bude poukázané v kapitole 2.

a) b)

Obr. 1.2 Tok jalového výkonu odoberaného induktívnou záťažou v sieti

a) s kompenzáciou b) bez kompenzácie

Z uvedenej úvahy vyplýva, že cievka je spotrebičom induktívneho jalového výkonu

a naopak zdrojom jalového výkonu kapacitného charakteru. Kondenzátor sa správa presne

naopak. Zo siete odoberá kapacitný jalový výkon a sám je do obvodu schopný dodávať

jalový výkon induktívneho charakteru.

2. KOMPENZÁCIA ÚČINNÍKA

2.1 Následky odberu so zhoršeným účinníkom

Odber jalového výkonu, t.j. jeho výroba a prenos sústavou je sprevádzaný niekoľkými

negatívnymi faktormi, ktoré delíme na

• technické,

• ekonomické.

Obidva aspekty spolu úzko súvisia.

2.1.1 Technické aspekty odberu so zhoršeným účinníkom

Majoritným zdrojom jalového výkonu vo všeobecnej sieti je synchrónny generátor.

Tento je schopný trvale dodávať do siete výkon, až po menovitú hodnotu svojho

zdanlivého výkonu SG (VA). Je zdrojom činného aj jalového výkonu a ich pomer je daný

tzv. P-Q diagramom, ktorý súvisí so stabilitou jeho chodu. Podstatný je fakt, že dodávka

jalového výkonu do siete sa deje na úkor dodávky užitočného činného výkonu a má za

následok zhoršenie účinnosti ηG s akou sa v generátore deje premena mechanickej energie

na energiu elektrickú. Takto vyrobený jalový výkon sa prenáša z miesta výroby na miesto

spotreby prostredníctvom vedenia, na ktorom dochádza vplyvom pretekania jalového

prúdu k úbytkom napätia, pre ktorý platí vzťah

( ) ( ) ( ) ( )jVčVjVčVjčVVVf IRIXjIXIRIjIXjRIZU ⋅−⋅⋅+⋅+⋅=⋅−⋅⋅+=⋅=∆ &&&&&& . (2.1)

Zo vzťahu je zrejmé, že k najväčšiemu úbytku napätia dochádza pretekaním jalového

prúdu Ij práve reaktanciou vedenia XV , nakoľko rezistancia vedenia RV je v porovnaní

s jeho reaktanciou zanedbateľne malá. Úbytok napätia na rezistancii spôsobí premenu

elektrickej energie na energiu tepelnú, ktorá sa vyžiari do okolia. Hovoríme, že vznikajú

straty

2j

2čV

2V IIRIRP +⋅=⋅=∆ (W). (2.2)

Použité vzťahy vyjadrujú úbytok napätia a Joulove straty vzaté na jednu fázu vedenia.

Obr. 2.1 Následky prenosu jalového výkonu sústavou

Okrem už spomenutých skutočností, ovplyvňuje výroba a prenos jalového výkonu

sústavou aj skratové pomery vo vnútri sústavy. Pri zväčšenom budení generátora bude

tento do siete pri skrate dodávať zvýšený skratový výkon a vedeniami potečie v okamihu

skratu nárazový skratový prúd, obmedzený len sériovo radenými reaktanciami častí

rozvodu.

( )VTd

ik XXXj

UI++′′⋅

=′′&

&& (A), (2.3)

kde Ui vyjadruje hodnotu vnútorného indukovaného napätia v stroji v okamihu skratu,

dX ′′ rázovú reaktanciu generátora, XT reaktanciu transformátora a

XV reaktanciu vedenia.

2.1.2 Ekonomické aspekty odberu so zhoršeným účinníkom

Prevádzka generátora s nižšou účinnosťou danou súčasnou dodávkou jalovej aj činnej

energie si vyžaduje na strane výrobcu elektrickej energie zvýšenie vstupných nákladov.

Distribučným podnikom sa zvyšujú investičné náklady pri kúpe nových zariadení, ktoré

musia byť dimenzované na prenos celkového výkonu, t.j. výkonu zdanlivého podľa (1.8).

Podobne treba vnímať aj ekonomickú náročnosť prevádzky všetkých prvkov v rozvodnej

sieti vzhľadom na straty a eventuálne poruchy zapríčinené preťažovaním zariadení. Značnú

položku predstavujú náklady na stavbu vedení, či už v distribučnej sústave alebo

v jednotlivých prevádzkach, ktoré je potrebné dimenzovať aj s ohľadom na prenos jalovej

energie.

Všetky spomenuté náklady sa premietnu do konečnej ceny elektriny pre koncových

odberateľov, ktorí platia okrem za dodanú „silovú“ elektrinu a straty aj sankčné poplatky

za odber so zhoršeným účinníkom. Distribútor elektrickej energie stanovil hodnotu tzv.

neutrálneho účinníka na 95,0cos =ϕ induktívneho charakteru. Prevádzkovanie zariadení

pri 1cos =ϕ v praxi vzhľadom na reálne vlastnosti jeho prvkov nie je možné a navyše by

viedlo k značnému zvýšeniu hodnôt skratových prúdov, ktoré by boli obmedzené len

rezistanciou vedenia. Funkcia kosínus nadobúda hodnoty z intervalu 1;0 , je párna a preto

nie je niekedy možné určiť charakter fázového posunu a teda rozlíšiť, či je účinník odberu

kapacitný alebo induktívny. Názornejšie vyjadruje výkonové pomery veličina tgφ

definovaná takto

PQ

=ϕtg (-). (2.4)

Táto veličina, prípadne priamo cosφ opatrený rozlišovacím znakom (+,-) je meraná

fakturačným meradlom, ktorým je vo väčšine prípadov dvojkvadrantový elektronický

elektromer, prípadne u starších zariadení je možné použiť dva rôzne elektromery pre

meranie činnej a jalovej energie. V prílohe č.1 uvádzam sankčné platby za zhoršený

účinník.

2.2 Spôsoby kompenzácie účinníka

Podľa toho kde kompenzačné zariadenie v sieti umiestnime, delíme kompenzáciu na

• individuálnu,

• skupinovú,

• centrálnu.

Individuálna kompenzácia je nainštalovaná priamo pri spotrebiči jalového výkonu

a pripája sa spravidla na svorkovnicu zariadenia. Jej najväčšou výhodou je prenos jalového

výkonu na veľmi krátku vzdialenosť a úplné odľahčenie všetkých rozvodov. Takto

kompenzovať každý spotrebič by bolo ale ekonomicky neprijateľné.

Výhodná sa javí byť skupinová kompenzácia v rámci jednotlivých prevádzok, kde sa

prenosom jalového výkonu zaťažujú len rozvody vo vnútri podniku. V podmienkach

rozvodnej siete je možné kompenzovať aj väčšie celky tým, že kompenzačné zariadenie

pripojíme do bodu PCC a tým môžeme pokryť spotrebu jalového výkonu v časti siete.

Touto metódou je možné aj regulovať napätie v určitom vzťažnom uzle.

Podľa radenia kompenzačného prostriedku rozlišujeme kompenzáciu

• sériovú,

• paralelnú.

Princíp sériovej kompenzácie spočíva v prispôsobení parametrov obvodu tak, aby pre

jeho celkovú impedanciu danú (1.1) platilo RZ =& , čo nastane ak bude platiť CL XX =

Ak teda vhodne zvolíme parametre L a C môžeme pre určitú frekvenciu dosiahnuť sériovú

rezonanciu a obvodom bude tiecť len prirodzený výkon. Týmto spôsobom je vhodné

kompenzovať úbytky napätia vo vedení tým, že na jeho koniec zaradíme do série so

záťažou kondenzátor. Tento musí byť ale dimenzovaný na celý prevádzkový prúd

odberného zariadenia, ako aj na skratové prúdy, ktoré sa môžu v danom mieste vyskytnúť.

Uvedená metóda však nepriaznivo vplýva na skratové pomery tým, že potlačením vplyvu

reaktancie rastú skratové prúdy.

Obr. 2.2 Principiálna schéma sériovej kompenzácie

Paralelná kompenzácia predstavuje najrozšírenejší druh kompenzácie

v priemyselných podmienkach a tvorí ťažisko aj tejto práce. Spočíva v paralelnom

pripojení kompenzačného prostriedku k spotrebiču jalového výkonu, tak aby dochádzalo

k prenosu jalového výkonu len medzi kompenzačným prostriedkom a spotrebičom. Pre

spotrebiče induktívneho charakteru je takýmto prostriedkom kondenzátor.

Ak vieme, že spotrebič odoberá činný výkon P, jeho odber je pred kompenzáciou

charakterizovaný hodnotou tgφ1 a kompenzačným prostriedkom chceme dosiahnuť

hodnotu tgφ2 je nutné nainštalovať zariadenie s kompenzačným výkonom

( )21K ϕ−ϕ⋅= tgtgPQ (var). (2.5)

Zo vzťahu (1.16) môžeme určiť potrebnú kapacitu kondenzátora. Ak takúto kompenzáciu

aplikujeme v trojfázovej nn sieti s fázovým napätím Uf (V) a združeným napätím U (V)

bude vzhľadom na spôsob zapojenia kondenzátorov potrebná kapacita jedného

kondenzátora

2K

3 UQC⋅ω⋅

= (F), (2.6)

ak sú kondenzátory zapojené do trojuholníka a

2f

K

3 UQC⋅ω⋅

= (F), (2.7)

pri zapojení kondenzátorovej batérie do hviezdy a na fázové napätie.

Obr. 2.3 Principiálna schéma paralelnej kompenzácie

3. KOMPENZAČNÉ ZARIADENIA

3.1 Kompenzačné prostriedky

Kompenzačnými prostriedkami nazývame všetky zariadenia, ktoré sú schopné do

obvodu dodávať jalový výkon. Podľa ich konštrukčného riešenia ich delíme na

• statické,

• rotačné.

Rotačné kompenzačné prostriedky sú zariadenia resp. elektrické stroje s veľkým

výkonom, ktoré dodávajú veľké množstvo jalového výkonu do rozsiahlych sietí. Ich

použitie sa spája s vyššími napäťovými hladinami a v sieťach nn sa aplikujú len zriedka.

Do tejto kategórie kompenzačných prostriedkov zaraďujeme

• synchrónny generátor,

• synchrónny kompenzátor.

V obidvoch spomenutých strojoch vzniká prostredníctvom ich budiaceho vinutia

vnútorné magnetické pole, ktoré sa prostredníctvom elektromagnetickej indukcie prenáša

cez vzduchovú medzeru stroja a spôsobuje vznik indukovaného napätia vo vinutí statora.

Veľkosť indukovaného napätia a jalového výkonu súčasne, regulujeme veľkosťou

jednosmerného budiaceho prúdu. Týmto regulačným mechanizmom meníme nielen

veľkosť ale aj druh jalového výkonu.

Statické kompenzačné prostriedky sú základom väčšiny kompenzačných zariadení

aplikovaných v nízkonapäťových sieťach. Do tejto skupiny patria

• kompenzačný kondenzátor,

• kompenzačná tlmivka.

Vlastnosti týchto prvkov sme podrobne rozobrali v kapitole (1.26). Kondenzátory sa

pre trojfázové sústavy dodávajú vo forme tzv. kondenzátorovej batérie, ktorá obsahuje

trojicu kondenzátorov spojených buď do hviezdy alebo do trojuholníka.

Kompenzačné prostriedky pripájame na sieť buď trvale, prípadne ich môžeme spínať

podľa potreby prostredníctvom stýkačov. Ak je vzhľadom na charakter odberu potrebné

dodávaný výkon regulovať v kratšom čase ako to umožňujú elektromagnetické stýkače,

predradíme kompenzačnému zariadeniu polovodičový spínač, ktorým môže byť v prípade

kondenzátora napäťový striedač a v prípade tlmivky tyristorový spínač. Takéto zariadenie

nazývame SVC (Static Var Compensator).

a) b) c)

Obr. 3.1 Spôsob pripájania statických kompenzačných prostriedkov na sieť

a) spínanie pomocou elektromagnetického stýkača

b) tyristorová regulácia prúdu dekompenzačnej tlmivky

c) regulácia kompenzačného výkonu meničom

3.2 Rozdelenie kompenzačných zariadení

Nepriaznivé vplyvy odberných zariadení na napájaciu sieť v praxi eliminujeme

nasadením podporných prostriedkov do miest, kde miera „znečistenia“ prekračuje

stanovené hranice. Medzné hodnoty kvalitatívnych parametrov elektrickej energie

stanovuje STN EN 50160 [7]. Prevádzkovateľ distribučnej sústavy určuje technické

podmienky, za ktorých môže byť odberateľ pripojený k verejnej sieti a ktoré musia byť

dodržané aj počas prevádzky pripojených zariadení. Medzi ukazovatele kvality odberu

patria predovšetkým nesymetria, flicker, harmonické zložky napätia a prúdu a účinník

odberu. Podľa toho, na potlačenie ktorého zo spomenutých nepriaznivých vplyvov boli

zariadenia navrhnuté, ich delíme na:

• klasické kompenzačné zariadenia,

• filtračno-kompenzačné zariadenia,

• aktívne filtre.

3.3 Aktívne filtre

Aktívne filtre sú pomerne zložité elektronické zapojenia konštruované tak, aby bolo

ich prevádzkou dosiahnuté potlačenie pokiaľ možno čo najväčšieho množstva negatívnych

faktorov, s ktorými sa v danom mieste siete stretávame. Ich prevádzkou môžeme odstrániť

alebo aspoň na prípustnú mieru obmedziť výskyt harmonických zložiek napätia, zmierniť

napäťovú nesymetriu v trojfázovej sieti a v neposlednom rade aj zabrániť kolísaniu

efektívnej hodnoty napätia, ktoré spôsobuje kolísanie svetelného toku zdrojov svetla

(flicker efekt). Schopnosť upravovať fázový posun medzi napätím a prúdom v obvode,

predurčuje aktívne filtre aj na kompenzáciu účinníka. Na rozdiel od ostatných

spomenutých zariadení sú takéto aplikácie výkonovej elektroniky schopné generovať do

siete potrebné priebehy napätí a prúdov a dotvárať tak výsledný odoberaný prúd tak, aby

spĺňal technické požiadavky naň kladené. Základné zapojenie takéhoto filtra si môžeme

predstaviť ako dvojkvadrantový menič schopný rekuperácie, ktorý pozostáva

z polovodičových spínačov s antiparalelne radenými diódami a je ešte doplnený o potrebné

indukčnosti a filtračné prvky. Schému popísaného zariadenia vidíme na obr. č. 3.2.

Podrobnejšie sa týmito zariadeniami však zaoberať nebudeme.

Obr. 3.2 Schéma zapojenia paralelného aktívneho filtra

3.4 Filtračno – kompenzačné zariadenia

Filtračno-kompenzačné zariadenia sú prioritne nasadzované pre elimináciu

harmonických zložiek v sieťach, ale zároveň sa vďaka svojim vlastnostiam chovajú ako

kompenzátory induktívneho jalového výkonu pre základnú harmonickú. Sú to vlastne

rezonančné filtre pozostávajúce z L a C prvkov, naladené na frekvenciu h – tej

harmonickej, ktorú chceme zo siete odfiltrovať. Rezonančná frekvencia je daná

Thomsonovym vzťahom

CLf

⋅⋅π⋅=

21

r (Hz). (3.1)

Impedancia sériového rezonančného L-C filtra je daná súčtom oboch reaktancií podľa

vzťahu a k rezonancii v takomto obvode dôjde práve vtedy, keď bude

pre danú rezonančnú frekvenciu platiť, že

CLf XjXjZ ⋅−⋅= &&&

CL XX = a výsledná impedancia bude mať

teoreticky nulovú hodnotu. V skutočnosti nebude impedancia nulová, ale bude daná

hodnotou rezistancie takéhoto zapojenia, ktorú sme v prvotnej úvahe zanedbali.

Jav prúdovej rezonancie je sprevádzaný tokom maximálnej hodnoty prúdu pri danom

napätí , ktorý je obmedzený len ohmickým odporom zapojenia.

V praxi potom takto ladený rezonančný filter predstavuje pre napätia, ktoré kmitajú

s rezonančnou frekvenciou fr obvod nakrátko – skrat a dochádza k tzv. odsávaniu tých

harmonických napätí zo siete tým, že sa menia na činnom odpore obvodu na teplo a sú

odvádzané chladiacim médiom do okolia. F-K zariadenia spravila obsahujú niekoľko

takýchto filtrov, ktoré sú naladené na frekvenciu tých harmonických, ktoré dosahujú

v danom bode siete najvyššie hodnoty, resp. hodnoty prekračujúce povolené medze.

Obr. 3.3 F-K zariadenie s filtrami na 3., 5., 7. harmonickú

prúdu, ktorú v sieti spôsobila nelineárna záťaž IM

Z hľadiska kompenzácie účinníka je dôležité chovanie sa rezonančného obvodu pre

napätia s frekvenciou inou, ako je frekvencia rezonančná. Podstatnou je v tomto prípade

impedancia filtra pri rôznych frekvenciách napätia v obvode. Grafické vyjadrenie tejto

závislosti predstavuje tzv. frekvenčná charakteristika filtra. Z obr. 3.4a je zrejmé chovanie

sa hodnôt kapacitnej reaktancie XC , ktorej veľkosť s rastúcou frekvenciou hyperbolicky

klesá a naopak induktívnej reaktancie XL, ktorej hodnota s rádom harmonickej lineárne

narastá. V bode platí rfx = 21 yy = t.j. hL,hC, XX = . Matematicky vyjadríme tieto

závislosti na základe vzťahov (1.16) a (1.18) .

LfhXhX ⋅⋅π⋅⋅=⋅= 1L,1hL, 2 (Ω), (3.2)

CfhhX

X⋅⋅π⋅⋅

==1

C,1hC, 2

1 (Ω), (3.3)

kde veličiny označené indexom 1 platia pre základnú harmonickú napätia (u nás 50 Hz).

a) b)

Obr. 3.4 Frekvenčné charakteristiky pre rezonančný filter 5. harmonickej

a) meniaca sa hodnota reaktancie v závislosti od frekvencie

b) celková impedancia filtra pre 1. až 40. harmonickú frekvenciu

Rezonančný filter sa javí pre frekvencie vyššie ako je frekvencia rezonančná ako

spotrebič induktívneho charakteru, nakoľko v jeho celkovej reaktancii prevažuje veľkosť

reaktancie induktívnej. Zaujímavejšia je však oblasť nižších frekvencií, medzi ktoré patrí aj

frekvencia základnej harmonickej.

V tomto frekvenčnom pásme je dominantná kapacitná reaktancia, ktorá s klesajúcim

rádom harmonickej výrazne narastá. Filter predstavuje pre základnú harmonickú kapacitnú

impedanciu a je do siete schopný dodávať induktívny jalový výkon a podieľať sa tak na

kompenzácii účinníka. Podstatnú časť tohto výkonu tvorí jalový výkon prvej harmonickej,

pretože hodnota napätia základnej harmonickej je podľa amplitúdového zákona najvyššia.

Jednofázový kompenzačný výkon sériového rezonančného filtra pre základnú harmonickú

bude

L,1C,1

2f,1

K,1 XXU

Q−

= (var). (3.4)

3.5 Klasické kompenzačné zariadenia

Kompenzačné zariadenia dodávajú do siete potrebný jalový výkon tak, aby došlo

k zlepšeniu účinníka odberu a k eliminácii toku tohto výkonu sústavou. V podmienkach

sietí nízkeho napätia prevažujú kompenzátory induktívneho jalového výkonu, ktorých

základným kompenzačným prostriedkom je kondenzátor. Podľa vyhotovenia rozlišujem

kompenzačné zariadenia chránené a nechránené. Ich funkciou a konštrukciou sa budeme

ďalej podrobne zaoberať v kapitolách 4 a 5. Aby sme mohli rozhodnúť, pre ktoré

z uvedených zariadení sa v danom prípade rozhodneme, musíme poznať pomery v mieste,

kde chcem zariadenie pripojiť na sieť. Určujúcim faktorom sú kvalitatívne parametre

elektrickej energie, z ktorých najpodstatnejšie pre prevádzku kompenzačných zariadení sú

harmonické prúdu a napätia vyšších rádov.

3.6 Harmonické v elektrických sieťach

Medzi základné kvalitatívne parametre tak, ako ich uvádza norma STN EN 50160 [7],

patrí harmonické spektrum napätí v sieti. Jedná sa o neharmonické priebehy, ktoré ak

spĺňajú Dirichletove kritériá, vieme rozložiť do nekonečného Fourierovho radu takto:

( ) ( ) ( )thBthAtu ⋅ω⋅⋅+⋅ω⋅⋅= ∑∑∞

=

∞

=

cossin0h

hU,0h

hU, . (3.5)

Koeficienty Fourierovho radu môžeme analyticky určiť zo vzťahov

( ) ( )[ ] tdthtuA ω⋅ω⋅⋅ωπ

= ∫π2

0hU, sin1 ( ) ( )[ tdthtuB ω⋅ω⋅⋅ω

π= ∫

π2

0hU, cos1 ] . (3.6)

Neharmonické napätie a prúd budú mať efektívne hodnoty

( ) ∑∫ ∑∞

=

∞

=

=ω⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ϕ+⋅ω⋅⋅=

1h

2h

0

2

1hhU,h sin1 UtdthU

TU

T

, (3.7)

( ) ∑∫ ∑∞

=

∞

=

=ω⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡ϕ+⋅ω⋅⋅=

1h

2h

0

2

1hhI,h sin1 ItdthI

TI

T

. (3.8)

Pre posúdenie deformácie krivky prúdu a napätia za účelom zavedenia určitých

kvalitatívnych parametrov zavádzame tzv. obsah základnej harmonickej ako

1001U ⋅=

UUg (%) pre napätie a 1001

I ⋅=IIg (%) pre prúd. (3.9)

Za účelom normalizácie sa pre posúdenie celkového harmonického skreslenia zaviedol

faktor celkového harmonického skreslenia ( total distortion factor) THD

∑=

=40

2h

2hU uTHD (-) pre napätie a ∑

=

=40

2h

2hI iTHD (-) pre prúd, (3.10)

pričom 1

hh U

Uu = , 1

h

IIih = ,

kde Uh (V) a Ih (A) je efektívna hodnota napätia a prúdu harmonicej rádu h,

U1 (V) a I1 (A) je efektívna hodnota napätia a prúdu základnej harmonickej.

Dôležitý je poznatok, že primárnou príčinou vzniku napäťových harmonických je

odoberanie neharmonických prúdov nelineárnymi zariadeniami. Odozva prúdových

harmonických v napätí je daná skratovým výkonom siete v danom bode pripojenia

zariadenia, ktoré takéto harmonické produkuje. Medzi takéto zariadenia patria všetky

nelineárne záťaže a elektronické aplikácie s polovodičmi, ktoré sa na “znečistení” siete

podieľajú najviac. Prípustné harmonické skreslenie napätia v sieti nn uvádza norma

STN EN 50160 [7] a s ňou súvisiace normy. Hodnoty stanovené normou uvádzam v

prílohe č.2 . Prítomnosť napäťových harmonických v sieti, kde má byť nainštalované

kompenzačné zariadenie je pre fungovanie tohto zariadenia nežiaduca.

Na dôvody takéhoto konštatovania bližšie poukazujem v kapitole 4. Stanovenie spektra

harmonických zložiek a ich amplitúdy určíme meraním alebo podrobným výpočtom chodu

siete. Na meranie takýchto veličín sú určené technicky pomerne náročné meracie prístroje,

ktoré sú vďaka ich cenovej náročnosti, len zriedka kedy projektantom prístupné. Na našom

trhu sa stretneme s prístrojmi TOPAS 1000 a BK 500, ktoré podrobne analyzujú

kvalitatívne parametre elektrickej energie. Spôsoby na elimináciu harmonických boli

naznačené v kapitole 3.4 a budeme sa nimi ďalej zaoberať aj v kapitole 5.

3.7 Interakcia kompenzačných zariadení a signálu HDO

Okrem harmonických frekvencií vyšších rádov, ktorých prítomnosť je v sieťach

nežiaduca, sa v elektrických rozvodoch stretneme aj s užitočnými signálmi, šírenými

s frekvenciou vyššou ako je frekvencia základnej harmonickej. Medi najvýznamnejšie patrí

systém hromadného diaľkového ovládania HDO, ktorým je zabezpečené ovládanie

fakturačných elektromerov (prepínanie taríf), stýkačov spínajúcich vykurovacie zariadenia,

či zariadenia pre ohrev TÚV v domácnostiach, ako aj ovládanie sústav verejného

osvetlenia, či riadenie činnosti rozsiahlych technologických zariadení v priemyselných

podmienkach. Systém HDO je súčasťou tzv. terciárnej regulácie frekvencie (činného

výkonu), ako prostriedok, ktorým možno regulovať odoberaný výkon na strane spotreby

a udržiavať tým vyrovnanú výkonovú bilanciu celej sústavy. Signál tohto systému je

generovaný vysielačmi pracujúcimi do napäťovej hladiny vvn 110 kV, resp. vn 22 kV,

ktoré sú v rámci jednotlivých distribučných podnikov centrálne riadené. Riadiaca

frekvencia, tak ako je uvedená v tab. 3.1, je namodulovaná na sínusový priebeh základnej

harmonickej menovitého napätia siete. Takto šírený signál s amplitúdou max. 5 V sa

dostáva ako tzv. sériový telegram prostredníctvom silového rozvodu k prijímačom, ktoré

sú nainštalované v elektromerových rozvádzačoch jednotlivých spotrebiteľov. Tieto potom

podľa svojho programového kódu vysielajú impulzy na jednotlivé spínacie zariadenia.

Tab. 3.1 Frekvencia signálu HDO v podmienkach jednotlivých distribútorov v rámci SR

Distribučný podnik Frekvencia signálu HDO

ZSE a.s. 216,6 Hz

SSE a.s. 191 Hz, 216,6 Hz, 750 Hz

VSE a.s. 216,6 Hz, 1060 Hz

Frekvencie sú volené tak, aby neboli celočíselným násobkom základnej frekvencie siete,

t.j. aby sa nekryli s frekvenciami napäťových harmonických, čím by bola negatívne

ovplyvnená prevádzka celého systému HDO.

V sieťach pokrytých signálom HDO sa prevádzka kompenzačných zariadení spája

s negatívnym javom, ktorým je tzv. „odsávanie“ riadiaceho signálu kompenzačnými

kondenzátormi. Tieto predstavujú pre priebehy uvedených frekvencií zníženú impedanciu,

podobne ako tomu bolo u vyšších rádov harmonických frekvencií. Kompenzačné

zariadenie teda pohlcuje tento signál, čím jednak preťažuje zdroje signálu HDO a v

neposlednom rade spôsobuje negatívne dodatočné prúdové zaťaženie pre vlastný

kondenzátor. U nechránených kompenzačných zariadení, ktoré obsahujú len prostý

kondenzátor, nie je možné tomuto javu zabrániť. Naopak vhodným naladením L-C člena

chráneného zariadenia môžeme tomuto negatívnemu javu vo veľkej miere predísť. Okrem

skratovania signálu HDO je vhodné zaoberať sa aj rezonanciou tohto signálu, spôsobenou

parametrami obvodu, t.j. kapacitou kompenzačného kondenzátora a indukčnosťou napr.

distribučného transformátora. Vplyvom rezonančných javov dochádza v niektorých

miestach siete potom k nežiaducemu napäťovému zosilneniu signálu HDO, prípadne inde

zas k jeho úplnému potlačeniu. Javom rezonancie, či už prúdovej alebo napäťovej sa

budeme podrobnejšie venovať pri jednotlivých kompenzačných zariadeniach.

4. NECHRÁNENÉ KOMPENZAČNÉ ZARIADENIA

Úvod

V sieťach, v ktorých nepredpokladáme prítomnosť napäťových harmonických a ktoré

nie sú pokryté signálom HDO, prípadne v ktorých sú uvedené vplyvy minimálne, možno

na kompenzáciu účinníka použiť tzv. nechránené kompenzačné zariadenie (NKZ). Tieto

zariadenia sú u nás doteraz najpoužívanejšie. Vďaka ich jednoduchej konštrukcii a nízkej

ekonomickej náročnosti ich používa väčšina odberateľov, ktorý majú problém dodržať

predpísané hodnoty účinníka.

4.1 Konštrukcia NKZ

Statické kompenzačné zariadenie, ktorého základnou stavebnou jednotkou je

kondenzátorová batéria, obsahuje zariadenia slúžiace na meranie, riadenie, spínanie

a ochranu. Schéma takéhoto zariadenia je uvedená na obr.4.1.

Obr. 4.1 Schéma pripojenia nechráneného kompenzačného zariadenia na sieť

Z obrázku je zrejmé, že kompenzačné zariadenie pripájame do siete v mieste, medzi

fakturačným meradlom spotreby elektrickej energie, ktoré súčasne vyhodnocuje aj účinník

odberu a pripojenými elektrospotrebičmi, ktoré zapríčiňujú odber so zhoršeným

účinníkom. Pripájanie kondenzátorových batérií sa deje samočinne za pomoci

elektromagnetických stýkačov (KM), ktorých spínanie riadi centrálny regulátor (Reg.).

Tento prostredníctvom prístrojových transformátorov prúdu (PTP) a svojho napäťového

vstupu, vyhodnocuje parametre odberu a v prípade poklesu hodnoty účinníka pod

nastavenú hodnotu dochádza k pripojeniu požadovanej kompenzačnej jednotky na sieť.

V prípade potreby je možné stýkače nahradiť elektronickými spínačmi, čím docielime

vysokú plynulosť regulácie dodávaného jalového výkonu.

4.2 Konštrukčné časti NKZ

V praxi používané kompenzačné zariadenia pre siete nn sa dodávajú ako tzv.

kompenzačné rozvádzače, ktorého výzbroj tvoria nasledujúce prvky

a) ochranné prístroje,

b) spínacie prístroje,

c) prístroje pre meranie a reguláciu,

d) kondenzátorová batéria,

e) prípojnice a vodiče.

Ochranné prístroje zabezpečujú prerušenie napájania v prípade skratu alebo nadprúdu

a chránia tak všetky elektrické prístroje v kompenzačnom rozvádzači. V praxi sa používajú

poistkové odpájače, resp. sady výkonových nožových poistiek v kombinácii s deiónovým

ističom. Pri výbere týchto zariadení je nutné brať ohľad na nadprúdy, ku ktorým dochádza

pri náhlom pripojení či odpojení kapacitnej záťaže. Je vhodné používať preto poistky

a ističe s tzv. predĺženou dobou vybavovania.

Spínacie prístroje sú vo väčšine prípadov elektromagnetické vzduchové stýkače

s obmedzovacími odpormi. Tieto umožňujú spínať kapacitnú záťaž tak, aby nedochádzalo

k ostrým prúdovým špičkám, čím predlžujú životnosť celého systému a zmierňujú

negatívny dopad na napájaciu sieť. Paralelne zdvojené kontakty radia pri každom

zapínacom i vypínacom cykle do série s kapacitnou záťažou obmedzovacie odpory

a k zopnutiu silových kontaktov dochádza až po doznení prechodového deja.

Takýmto spôsobom je možné predchádzať prúdovému preťažovaniu kontaktného

ústrojenstva a znižovať zotavené napätie na kontaktoch pri ich rozpájaní. V prípade ak

použijeme bežné stýkače bez obmedzovacích odporov, je potrebné do série

s kondenzátorovou batériou radiť reaktory, ktoré obmedzia spínacie prúdy. V sieťach, kde

je potrebné plynule regulovať veľkosť dodávaného jalového výkonu, sú stýkače

nahrádzané napäťovými striedačmi. Tento spôsob spínania je však omnoho nákladnejší,

preto sa používa len zriedka.

Prístroje pre reguláciu a meranie predstavuje centrálny regulátor jalového výkonu,

ktorý pre snímanie prúdových pomerov v sieti používa merací PTP. Jedná sa

o elektronické zariadenie, schopné na základe snímania okamžitých hodnôt prúdu a napätia

a ich fázového posunu, určiť potrebný kompenzačný jalový výkon v sieti a zabezpečiť teda

odber s požadovaným účinníkom. Výstup takéhoto zariadenia tvoria spínacie relé, ktoré

následne spínajú prostredníctvom silových stýkačov jednotlivé kompenzačné stupne.

Kondenzátorová batéria je podstatou každého kompenzačného zariadenia.

V trojfázových sieťach je zložená z trojice kondenzátorov spojených spravidla do

trojuholníka, z ktorých každý je opatrený vybíjacím odporom. Kovová nádoba

kondenzátorovej batérie má zabudovaný tlakový odpájač. Tento spôsobí odpojenie

kondenzátorov od siete v prípade, že tlak v nádobe nebezpečne narastie. Výrobca udáva

kapacitu kondenzátorovej zostavy a jej jalový výkon pri danom napätí. Rozvádzač

obsahuje niekoľko takýchto batérií a tieto sa podľa potreby prostredníctvom regulátorom

ovládaných stýkačov pripájajú na sieť, hovoríme o tzv. stupňovitej regulácii jalového

výkonu.

Prípojnice a vodiče predstavujú galvanické spojenia živých častí so zhodným

potenciálom a zabezpečujú vodivé prepojenie medzi jednotlivými prvkami

kompenzačného zariadenia. Centrálne fázové prípojnice bývajú realizované ako pásové

vodiče z elektrotechnickej medi a ostatné vodivé spojenia sú realizované spravidla tiež

medenými vodičmi CYA. Prúdové dimenzovanie všetkých vodičov je robené s ohľadom

na minimálny úbytok napätia a s tým súvisiace činné straty.

4.3 Kondenzátor ako prvok NKZ

Jalový výkon kompenzačného kondenzátora pripojeného na reálnu sieť je daný

súčtom jalových výkonov pre všetky napäťové harmonické, ktoré sa v sieti vyskytujú

podľa vzťahu

∑∞

=

⋅=1h

hhC IUQ (var), (4.1)

kde Uh (V) je napätie h-tej harmonickej a Ih (A) je prúd pre h-tu harmonickú daný vzťahom

hC,

hh X

UI = (Ω). (4.2)

Kapacitná reaktancia kondenzátora XC,h sa s frekvenciou mení podľa vzťahu (1.18) a

graficky ju môžeme znázorniť pomocou tzv. frekvenčnej charakteristiky kondenzátora

Obr. 4.2 Frekvenčná charakteristika kondenzátora 10 µF 400V

Keďže hodnota kapacitnej reaktancie XC,h s rastúcou frekvenciou prudko klesá, dosahujú

prúdy h-tych harmonický nezanedbateľné hodnoty a celkové prúdové namáhanie

kondenzátora musíme určiť ako súčet prúdov od jednotlivých harmonických

∑⋅∞

=

=1h

hC,C II (Ω). (4.3)

Z uvedeného vyplýva, že prúdy vyšších harmonických spôsobujú prúdové preťažovanie

kondenzátorov a tým skracovanie ich životnosti. Prídavné zaťaženie spôsobuje teda aj

signál HDO. Tieto fakty považujeme za základné negatíva NKZ.

4.4 Rezonancia v sieťach s NKZ

Z frekvenčnej charakteristiky kondenzátora je zrejmé, že on sám nemôže vytvoriť

rezonančný obvod. Ak sa však na kondenzátor pozeráme ako na prvok reálnej elektrickej

siete zistíme, že tento môže spolu s indukčnosťami jej prvkov takýto obvod vytvoriť. Pre

prípadné úvahy o rezonancii v takejto sieti je podstatná hlavne indukčnosť predradeného

distribučného transformátora LT, pretože táto ostatné do série radené indukčnosti svojou

veľkosťou výrazne prevyšuje. Podľa obr.4.3 je možné takéto zapojenie vnímať s ohľadom

na referenčný bod ako sériový ale i paralelný rezonančný obvod.

Obr. 4.3 Nechránené kompenzačné zariadenie ako prvok elektrickej siete

V prípade ak za referenčný bod považujeme bod A, javí sa celá topológia ako sériový

rezonančný odvod a pre rezonančnú frekvenciu dochádza k prúdovému zosilneniu, čiže

obvodom tečie maximálny prúd. Ak sa na obvod budeme pozerať z pohľadu zberne nn,

čiže z bodu B, tvorí kompenzačné zariadenie s indukčnosťou transformátora paralelný

rezonančný obvod a v prípade rezonancie dochádza k zosilneniu napätia na tejto zberni.

Oba spomenuté javy sú nežiaduce a majú negatívny vplyv na prevádzku siete.

4.5 Návrh a konštrukcia nechráneného kompenzačného zariadenia

Súčasťou tejto diplomovej prace je aj návrh a konštrukcia nechráneného

kompenzačného zariadenia (NKZ). Zariadenie má slúžiť pre potreby výuky na katedre

KVES v rámci predmetov, ktorých náplňou je priblíženie problematiky kompenzácie

účinníka a ako učebná pomôcka pri meraniach počas seminárnych cvičení. Jedná sa

o stupňovito spínané kompenzačné zariadenie, pozostávajúce z daného počtu

kondenzátorových batérií, ktoré budú k sieti pripojované automaticky za pomoci stýkačov

riadených automatickým regulátorom jalového výkonu.

4.5.1 Návrh parametrov NKZ

Návrh kompenzačného zariadenia zahŕňa stanovenie napäťových, prúdových

a výkonových pomerov v takomto zariadení, špeciálne pri stupňovito spínaných

zariadeniach aj počet a veľkosť jednotlivých kompenzačných stupňov.

Napäťové dimenzovanie

Napäťová sústava: 3x230/400V AC 50Hz, TN-C 3+PEN.

Kompenzačné zariadenie bude inštalované na napäťovej hladine nn v priestoroch

školských laboratórií, kde je rozvod realizovaný ako trojfázová štvorvodičová sústava TN-

C, preto aj toto zariadenie je prispôsobené pre prevádzku v takejto sieti.

Stanovenie kompenzačného výkonu

Zariadenie bude prevádzkované v laboratórnych podmienkach katedry KVES, kde sa

nachádzajú aj točivé stroje, ktoré odoberajú zo siete induktívny jalový výkon. Úlohou

navrhovaného kompenzačného zariadenia je dodávať týmto spotrebičom potrebný jalový

výkon a odľahčiť tým rozvodnú sieť a zamedziť odberu so zhoršeným účinníkom. Na

základe identifikácie strojového vybavenia učebne bol stanovený odoberaný jalový výkon

takto:

p.č. Inštalovaný spotrebič Qodber (max) charakter

1 Asynchrónny motor s kotvou nakrátko (naprázdno) 4 kvar Ind.

2 Synchrónny generátor (podbudený) 6 kvar Ind.

Tab. 4.1 Súpis nainštalovaných spotrebičov

Celkový odoberaný jalový výkon bude teda v najnepriaznivejšom prípade Qodber=10 kvar

(ind.). Túto hodnotu trojfázového výkonu budeme teda považovať za požadovaný

kompenzačný výkon navrhovaného kompenzačného zariadenia.

Určenie počtu a veľkosti kompenzačných stupňov

Stanovený celkový kompenzačný výkon je potrebné racionálne rozdeliť do viacerých

kompenzačných stupňov, aby bola zaručená optimálna dodávka jalového výkonu

s ohľadom na premenlivosť odberu strojov počas ich prevádzky. Zvolený počet

kompenzačných stupňov predstavuje teda akýsi kompromis medzi požiadavkou maximálne

citlivej regulácie a ekonomickým hľadiskom spojeným s počtom zakúpených

kondenzátorových batérií. Pre našu aplikáciu som navrhol spínanie v štyroch stupňoch

s kompenzačným výkonom QK1 až QK4. Hodnota prvého stupňa s najnižším výkonom je

ohraničená dostupnosťou kondenzátorových batérií na našom trhu a bola stanovená na

QK1 = 1kvar. Pri výbere v poradí ďalších stupňov rešpektujeme zásadu QK1< QK2< QK4<

QK4 , ktorá zaručí spoľahlivé fungovanie procesu automatickej regulácie. Ak uvažujeme

požadovanú regulačnú citlivosť ∆reg = QK1 = 1kvar môžeme stanoviť hodnotu ďalších

stupňov ako

reg1)K(nK(n) ∆+= −QQ . (var). (4.4)

Takto vypočítané kompenzačné stupne sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Číslo stupňa

n

Kompenzačný výkon

QK(n)3f

Prúd vo fázach

IK(n)f

Kapacita batérie

CK(n)

1. 1 kvar 1,4 3 x 6,6 µF

2. 2 kvar 2,9 3 x 13,3 µF

3. 3 kvar 4,5 3 x 20,9 µF

4. 4 kvar 5,8 3 x 26,5 µF

Tab. 4.2 Prehľad parametrov NKZ

Všetky kompenzačné stupne budú realizované ako trojfázové kondenzátorové batérie

tvorené trojicou kapacít zapojených do trojuholníka. V tabuľke je uvedený ich

kompenzačný výkon pri menovitom združenom napätí siete Un = 400V. Potrebné

kapacity kondenzátorov som stanovil na základe vzťahu (2.6).

Prúdové dimenzovanie

Veľkosť fázových prúdov odoberaných jednotlivými kondenzátorovými batériami je

uvedená v tabuľke ..... Ide o efektívne hodnoty, ktoré sú rozhodujúce pre prúdové

dimenzovanie prívodných vodičov. Pri ich výpočte však bolo uvažované len so základnou

harmonickou napájacieho napätia. Keďže norma STN 33 3080 [11] pripúšťa až 43% trvalé

preťaženie kondenzátora harmonickými prúdmi vyšších rádov je nutné počítať aj s týmto

prídavným prúdovým namáhaním.

Spínací proces v obvode s kapacitnou záťažou spôsobuje vznik značných

prúdových špičiek, ktoré dosahujú v momente zopnutia hodnotu rádovo stonásobne vyššiu

ako je ich menovitý prúd In (A) v ustálenom stave. Preto je vhodné prívodné vedenie

dimenzovať na prúd ndim 2 II ⋅= . Na základe uvedených kritérií som pre pripojenie

kondenzátorových batérií použil vodiče CYA s prierezom S = 2,5mm2 zhodne pre všetky

kompenzačné stupne. Vodiče budú istené tavnými poistkami s pomalou vypínacou

charakteristikou typu gG, určenými pre ochranu obvodov s kapacitnou záťažou. V súlade

s STN 33 2000-5-523 [10] som ich menovitý prúd stanovil na In = 10A. Celkový

odoberaný prúd kompenzačného zariadenia stanovíme podľa vzťahu

∑=

ϑ ⋅=4

1nncel IkI (A), (4.5)

kde In (A) sú efektívne hodnoty prúdov odoberaných n – tým kompenzačným stupňom,

kυ (-) je koeficient súčasnej prevádzky jednotlivých stupňov, volíme k = 1.

Výpočtom bola stanovená fázová hodnota celkového prúdu na 29A. Najbližšia vyššia

hodnota z normalizovaného prúdového radu je 32A. Tento prúd zvolíme preto za menovitý

prúd celého zariadenia a súčasne je to aj hodnota menovitého prúdu hlavného istiaceho

prvku. Ako prívodné vedenie použijeme preto v súlade s [10] vodiče s prierezom S = 6mm2

4.5.2 Konštrukcia NKZ

Technický popis

Navrhované kompenzačné zariadenie je vyhotovené ako samonosný skriňový

kompenzačný rozvádzač. Schránku zariadenia vytvára oceľoplechová skriňa opatrená

dvierkami s univerzálnym energetickým uzáverom na prednej strane. Skriňa má rozmery

2000 x 500 x 500 mm. Rozvádzač je horizontálne členený na štyri polia. V najvrchnejšej

časti sa nachádza prívodné pole pre istenie a rozvod, pod ním je pole s poistkovými

odpínačmi, ďalej nasleduje pole stýkačov a najnižšie umiestnený je nosný rošt pre

kondenzátory. Vo dvierkach je osadený automatický regulátor jalového výkonu a vo vrchnej

časti prednej strany sa nachádza signalizačný panel s optickými indikátormi rovnako ako

výrobný štítok rozvádzača.

Rozvádzač sa pripája na sieť pohyblivým prívodom (šnúra CGSG 4Bx6) pomocou

zásuvkovej prípojky umiestnenej na pravej bočnej stene, kde je rovnako aj umiestnená

zásuvka pre pripojenie automatického regulátora k prístrojovému transformátoru prúdu

(šnúra CYSY 2Ax1). Galvanické prepojenie živých časti je urobené vodičmi CYA

s prierezmi 1,5; 2,5 a 6 mm2, ktoré sú farebne rozlíšené podľa STN EN 60446 [14].

Predpokladaný skratový prúd v mieste pripojenia zariadenia na sieť je maximálne 10kA, na

tento prúd sú dimenzované všetky prístroje v rozvádzači. Rozvádzač klasifikujeme ako

elektrický predmet triedy ochrany I. Pri uzatvorených dvierkach je zaručené krytie

minimálne IP20, po ich otvorení len IP10 resp. IP00. Obsluhu uvedeného zariadenia pri

uzatvorených dvierkach môžu vykonávať aj pracovníci poučený (bez elektrotechnickej

kvalifikácie). Manipulovať so zariadením po otvorení dvierok môžu podľa STN 34 3100

[15] len elektrotechnici.

Ochrana pred úrazom elektrickým prúdom v prípade poruchy je realizovaná podľa STN 33

2000-4-41 [9] samočinným odpojením napájania v kombinácii s miestnym uzemneným

pospájaním všetkých neživých vodivých častí a počas normálnej prevádzky izoláciou

a znemožnením prístupu k živým častiam krytom a zábranami. Podrobná schéma zapojenia

kompenzačného rozvádzača je uvedená v grafickej prílohe č. 3

a) b)

Obr. 4.4 Pohľad na zhotovený kompenzačný rozvádzač

a) skriňa rozvádzača s dvierkami a signalizačným panelom

b) prístrojová náplň rozvádzača

Rozmiestnenie elektrických prístrojov

a) I. pole – prívod a istenie

prístrojová náplň : trojpólový istič LSN C 32A 1 ks – hlavný istič

jednopólový istič LSN B 6A 1 ks – istenie ovládacích obvodov

svorkovnica 4 pól. L1, L2, L3, PEN 1 ks – rozvod

radové svorky 8 ks – pripojenie regulátora

b) II. pole – pole istenia kondenzátorov

prístrojová náplň : trojpólový poistkový odpínač OPV10 4 ks – istenie kondenzátorov

tavné poistky PV10 10A gG 12 ks – istenie kondenzátorov

c) III. pole – pole stýkačov

prístrojová náplň : trojpólový stýkač LC1-DK 20 A 4 ks – spínanie kompenzačných batérií

d) IV. pole - pole kondenzátorových batérií

prístrojová náplň : kondenzátorová batéria 1 kvar / 400 V 1 ks – kompenzácia

kondenzátorová batéria 2 kvar / 400 V 1 ks – kompenzácia

kondenzátorová batéria 3 kvar / 400 V 1 ks – kompenzácia

kondenzátorová batéria 4 kvar / 400 V 1 ks – kompenzácia

e) signalizačný panel

prístrojová náplň : signalizačná žiarovka E14, 230 V, 15 W

f) zásuvkový panel

prístrojová náplň : zásuvková prívodka 3+PEN, 400 V, 32 A – prívod napätia

zásuvka prístrojová 2P, 48 V, 10 A – prívod od PTP

Funkčný popis

Kompenzačný rozvádzač je elektrické zariadenie určené pre stupňovitú kompenzáciu

účinníka v sieti nn. Regulačné zásahy predstavuje pripájanie kondenzátorových batérií na

sieť a to podľa aktuálnych výkonových pomerov v kompenzovanej sieti. Hodnoty

požadovaného jalového výkonu stanovuje automatický regulátor na základe nameraných

hodnôt napätia, prúdu a ich vzájomného fázového posunu. Meranie napätia sa deje priamo

na svorkách napájania regulátora a prúd je snímaný za pomoci pripojeného externého PTP

so sekundárnym prúdom 5A (1A), ktorý je nainštalovaný do jednej fázy prívodného

vedenia pre celú kompenzovanú sieť. Z uvedeného je zrejmé, že v sieti sa predpokladá

súmerný odber, t.j. rovnaké výkonové pomery vo všetkých troch fázach. Zariadenie je

vybavené 5-stupňovým digitálnym automatickým regulátorom typu NOVAR 5+.

Na trojmiestnom display-i je možné striedavo zobraziť efektívne hodnoty fázového

napätia a prúdu, ďalej aktuálny účinník odberu, ako aj efektívne hodnoty niektorých

vybraných napäťových harmonických zložiek a faktora THDU. Pomocou obslužného

softwaru je možné prostredníctvom ovládacích tlačidiel na panely regulátora zvoliť

indikáciu požadovaného údaju a taktiež navoliť žiadané hodnoty účinníka odberu

v rozsahu od 0,8 ind. až 0,8 kap. .Okrem tohto základného parametra môže užívateľ takto

nastaviť ďalších cca 20 parametrov. Dôležitým údajom pre prevádzku kondenzátorových

batérií je tzv. činiteľ harmonického zaťaženia kondenzátoru CHL, ktorý udáva dodatočné

prúdové zaťaženie kondenzátoru prúdmi vyšších harmonických zložiek. Matematicky

môžeme tento parameter vyjadriť takto

10017

1h

2

n

h ⋅⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ⋅= ∑

= UUhCHL (%) , (4.6)

kde h (-) je rád harmonickej,

Uh (V) je efektívna hodnota hapätia h-tej harmonickej,

Un (V) je efektívna hodnota menovitého napätia siete.

Je vhodné nastaviť maximálnu prípustnú hodnotu tohto parametra, po prekročení ktorej

zabezpečí regulátor automatické odpojenie kondenzátorov od siete, aby sa tak zabránilo ich

trvalému poškodeniu vplyvom nadmerného prúdového preťaženia.

Po pripojení kompenzačného rozvádzača na sieť sa spustí proces automatického

rozpoznávania jednotlivých pripojených kapacitných stupňov a to tak, že regulátor

postupne spína prostredníctvom svojich releových výstupov jednotlivé kondenzátory a na

základe merania napätia a prúdu a po zistení viacnásobnej zhody im pripisuje hodnotu

kompenzačného výkonu. Po úspešnej identifikácii a nastavení prevádzkových parametrov

je systém pripravený pracovať plne automaticky a udržiavať v sieti požadovanú hodnotu

účinníka až do svojho menovitého kompenzačného výkonu. V prípade potreby je možné

vypnúť automatickú reguláciu a prejsť do režimu manuálneho riadenia. Regulačný proces

sa deje stupňovito pripájaním jednotlivých kondenzátorových batérií, respektíve ich

kombinácií na kompenzovanú sieť. Regulátor sleduje optimálne nasadzovanie jednotlivých

kondenzátorov s ohľadom na prevádzkovú dobu či počet zopnutých stupňov. Dôležité pri

spínaní kapacitných členov je aj dodržiavanie tzv. bezpečnostných prestávok, čiže zaručiť

predpísané vybitie kondenzátora prostredníctvom paralelných odporov skôr, ako dôjde

k jeho opätovnému zapnutiu.

Samotné spínanie sa deje prostredníctvom elektromagnetických stýkačov, špeciálne

prispôsobených pre obvody s kapacitnou záťažou, ktoré v okamihu zopnutia zaraďujú do

série s kondenzátormi tlmiace rezistory a týmto zabraňujú vzniku výrazných

prechodových dejov. Obmedzením prúdových špičiek a následného prepätia eliminujú

negatívne dopady spínacieho cyklu na kontaktné ústrojenstvo stýkača a taktiež na

napájaciu sieť.

4.6 Meranie na kompenzačnom rozvádzači – návod na cvičenie

Zhotovený kompenzačný rozvádzač tak ako je popísaný v predchádzajúcej kapitole je

vhodnou učebnou pomôckou pre problematiku kompenzácie účinníka a praktickej

aplikácie NKZ v podmienkach siete s výskytom harmonických zložiek napätia a prúdu

vyšších rádov.

Názov cvičenia : Kompenzácia účinníka a prúdové zaťažovanie kondenzátorov v NKZ

Úlohy : 1. Meranie účinníka odberu pre rôzne prevádzkové stavy sústrojenstva

2. Kompenzácia účinníka za použitia stupňovito spínaného NKZ

3. Určovanie výskytu harmonických zložiek vyšších radov v danej sieti

4. Meranie celkového prúdového zaťažovania kondenzátorov

Pomôcky : kompenzačný rozvádzač, sústrojenstvo – synchrónny generátor + pohon

(asynchrónny motor), PTP, regulovateľný DC zdroj, regulovateľný

autotransformátor, PTP, súprava pre fázovanie, multimeter, sieťový

analyzátor BK 500;

Postup merania :

Zostavu pre meranie zapojíme podľa schémy uvedenej v prílohe č. 4. Spustíme

asynchrónny motor a meriame odoberaný jalový výkon a účinník odberu pre rôzne napätia.

Napätie regulujeme autotransformátorom. Následne nastavíme napätie na menovitú

hodnotu a prifázujeme synchrónny generátor na sieť. Zmenou budiaceho prúdu meníme

veľkosť odoberaného jalového výkonu. Pripojíme kompenzačné zariadenie a vykonáme

meranie kompenzácie účinníka pre rôzne pracovné body generátora.

Všetky výsledky meraní uchováme v pamäti pripojeného sieťového analyzátora. Následne

pripojíme jeho meracie vývody do miesta 2 a vykonáme harmonickú analýzu siete v súlade

s STN EN 50160. Meranie napäťových harmonických zložiek doplníme o meranie

prúdových harmonických tečúcich cez kondenzátorové batérie. Toto meranie vypovedá

o skutočnom prúdovom zaťažovaní kondenzátorov v NKZ pripojených na reálnu sieť.

Získané výsledky spracujeme, interpretujeme graficky a vyhodnotíme. V obrazovej prílohe

č.5 je príklad grafického výstupu z podobného merania.

5. CHRÁNENÉ KOMPENZAČNÉ ZARIADENIA

5.1 Rezonančné filtre

Technicky dokonalejšie riešenie v oblasti kompenzácie účinníka predstavujú v praxi

čoraz viacej používané chránené kompenzačné zariadenia. Statický kondenzátor ako

základná stavebná jednotka kompenzačných zariadení je v týchto aplikáciách chránený

pred prúdovým preťažením, ktoré predstavujú prúdy vyšších harmonických frekvencií ako

aj pohlcovaný signál HDO, sériovo radenou indukčnosťou. Filtračná indukčnosť,

konštruovaná ako tlmivka so železným jadrom, predstavuje pre vyššie frekvencie zvýšenú

impedanciu a zamedzuje tak toku prúdov týchto frekvencií cez kompenzačný kondenzátor.

Takúto topológiu môžeme z elektrického hľadiska pomenovať ako sériový rezonančný LC

obvod.

Obr. 5.1 Sériový rezonančný obvod

Pri konkrétnej kombinácii kapacity kompenzačného kondenzátora a indukčnosti

filtračnej tlmivky dochádza v obvode pre danú frekvenciu k rezonancii. Túto frekvenciu

označujeme ako rezonančnú a môžeme ju stanoviť na základe Thomsonovho vzťahu viď

(3.1) pre dané L a C parametre. Vidíme teda, že na rozdiel od kondenzátora v NKZ, ktorý

mohol vytvoriť rezonančný obvod len v kombinácii s indukčnosťou prvkov zapojených

v danej sieti, tlmivkou chránený kondenzátor v CHKZ takýto obvod sám o sebe vytvára.

Ochranná indukčnosť posúva rezonančnú frekvenciu v sieti s CHKZ a tým zabraňuje

vzniku rezonancií pre harmonické frekvencie, ktorých amplitúda napätia by mohla

spôsobiť značné prúdové preťažovanie kompenzačného kondenzátora. Podobne takto

môžeme zabrániť aj pohlcovaniu signálu HDO. Keďže indukčnosť filtračnej tlmivky

volíme zámerne tak, aby sme dosiahli požadovanú rezonančnú frekvenciu, hovoríme

takýmto obvodom ladené rezonančné obvody. Vo všeobecnosti sú naladené na tzv.

neutrálnu frekvenciu, na rozdiel od filtračno-kompenzačných zariadení, ktorých

rezonančná frekvencia priamo predstavuje frekvenciu harmonickej zložky napätia, ktorú

chceme zo siete odfiltrovať.

Hodnotu neutrálnej frekvencie volíme s ohľadom na spektrum a amplitúdy

harmonických zložiek vyšších rádov a taktiež s ohľadom na frekvenciu, ktorou je šírený

signál HDO. V praxi najpoužívanejšia hodnota je 189Hz, ďalej 134Hz a 214Hz. Podstatné

je však vyhnúť sa spomenutým frekvenciám, aby nedošlo k ich pohlcovaniu, ktoré by

spôsobovalo dodatočné prúdové zaťaženie kondenzátora a tlmivky. Na rozdiel od FKZ nie

sú prvky CHKZ na takéto prídavné zaťaženie dostatočne dimenzované.

Ak chceme dôsledne analyzovať polohu CHKZ v sieti, musíme sa zaoberať aj

situáciu, kedy ladený LC člen môže vytvoriť podobný rezonančný obvod s ktorýmkoľvek

prvkom uvažovanej siete, resp. s jeho indukčnosťou. Situácia je analogická ako pri

analýze rezonancií v sieťach s NKZ. Rezonančná frekvencia takéhoto obvodu bude ale

vždy nižšia ako neutrálna frekvencia pôvodného LC člena. Tento dôležitý poznatok je

zrejmý aj z nasledujúceho porovnania

( ) KXFKF 21

21

CLLCL ⋅+π⋅>

⋅⋅π⋅ (5.1)

kde LF (H) je indukčnosť filtračnej tlmivky,

LX (H) je náhradná indukčnosť prvkov siete,

CK (F) je kapacita kompenzačného kondenzátora.

Neutrálnu frekvenciu v praxi volíme teda tak, aby jej hodnota bola nižšia ako hodnota

frekvencií, pri ktorých by mohlo dôjsť k nežiadúcim rezonanciám. To aký rozdiel

frekvencií postačuje, aby bolo zaručené, že na danej frekvencii k rezonancii nedôjde, závisí

hlavne od činiteľa akosti resp. rozladenia rezonančného LC obvodu. Veľkosť prúdu pri

prípadnej rezonancii zase závisí od amplitúdy napätia danej frekvencie a od impedancie

obvodu pri tejto frekvencii. Závislosť impedancie od frekvencie môžeme vyjadriť

frekvenčnou charakteristikou rezonančného filtra.

Obr. 5.2 Frekvenčná charakteristika rezonančného obvodu v CHKZ

QK = 1,5 kvar , CK = 82,2 µF, LF = 8,63 mH , fr = 189 Hz

5.2 Návrh chráneného kompenzačného zariadenia

Pri návrhu CHKZ budeme vychádzať z výkonových parametrov už zostrojeného

kompenzačného rozvádzača (NKZ), tak ako som ich popísal v kapitole 4.5.1 . Postup pri

návrhu je všeobecne aplikovateľný. Podstatou návrhu CHKZ, tak ako je vyobrazené na

obr. 5.3 , je definovanie parametrov filtračnej tlmivky a následná kontrola dimenzovania

rezonančného dvojpólu.

Obr. 5.3 Principiálna schéma pripojenia CHKZ na sieť

V tabuľke 4.1 sú uvedené základné parametre jednotlivých stupňov kompenzačného

zariadenia, ako ich kompenzačné výkony, kapacitné prúdy vo fázach a kapacity trojice

kondenzátorov, ktoré sú zapojené do trojuholníka. Pre určenie indukčnosti filtračnej

tlmivky je však vhodné uvažovať ich zapojenie do hviezdy na fázové napätie. Takto sa

výrazne zjednoduší spomínaný výpočet. Preto urobíme transfiguráciu zapojenia

kondenzátorov a to na základe podmienky rovnakého kompenzačného výkonu pri oboch

zapojeniach.

Urobíme teda vzorový výpočet pre prvý kapacitný stupeň s kompenzačným výkonom

QK1 = 1kvar. Výkon jedného kondenzátora s kapacitou CK = 6,6 µF pre základnú

harmonickú a pri združenom napätí siete Un = 400V vypočítame takto:

var75,331

106,65021

400

21

6

2

K1

2n

C

2n

K =

⋅⋅⋅π⋅

=

⋅⋅π⋅

==

−Cf

UXUQ .

Ak uvažujeme jeho pripojenie na fázové napätie a kondenzátor má do siete dodávať

nezmenený kompenzačný výkon, môžeme určiť jeho náhradnú kapacitu CKx nasledovne:

Ω=== 46,15975,331

2302

K

2f

Cx QUX a F96,19

46,1595021

.21

Cx1Kx µ=

⋅⋅π⋅=

⋅π⋅=

XfC .

Teraz stanovíme rezonančnú frekvenciu uvažovaného rezonančného filtra. Nakoľko bude

zariadenie prevádzkované v sieti distribučného podniku SSE a.s. , kde je nosnou

frekvenciou signálu HDO frekvencia 191Hz a nami volená frekvencia by mal byť nižšia,

preto pre zabezpečenie dostatočného odstupu volíme z normalizovaného radu frekvenciu

134Hz. Na frekvenciách vyšších, teda aj na frekvencii HDO, by už k rezonanciám dôjsť

nemalo. Indukčnosť sériovo radenej ochrannej tlmivky stanovíme pre zvolenú neutrálnu

frekvenciu frez aplikáciou Thomsonovho vzťahu,

( ) ( )

mH68,7013421096,19

121

262rKn

F =⋅π⋅⋅⋅

=⋅π⋅⋅

=−fC

L .

Z uvedeného teda plynie, že je vhodné do série s kompenzačným kondenzátorom

zaradiť tlmivku s vypočítanou indukčnosťou a tým docieliť naladenie rezonančného

obvodu na požadovanú frekvenciu. Takúto indukčnosť je nutné zaradiť do každej fázy

prívodu ku kondenzátorovej batérii, preto býva v praxi realizovaná ako trojfázová tlmivka

navinutá na spoločnom jadre. Charakterizujeme ju tzv. činiteľom tlmenia a jej efektívnymi

stratami. Tieto hodnoty uvádzajú výrobcovia v katalógoch a technickej dokumentácii.

Väčšiu pozornosť ich vlastnostiam však v práci venovať nebudeme. Dôležitý je ale fakt, že

takto pripojená tlmivka ovplyvní aj napäťové a výkonové pomery v CHKZ.

Vplyvom vlastnej indukčnosti dochádza v obvode s induktorom k indukovaniu

napätia, ktoré sa v každom okamihu sčítava s napätím siete a tým dochádza k zvyšovaniu

napätia na kondenzátore. K jeho nárastu môže dôjsť aj pri tzv. napäťovej rezonancii, ktorá

je popísaná v kapitole [4.4] . Pomerné zvýšenie napätia označujeme písmenom a a je dané

LCY

CY

XXX

a−

= (-) (5.2)

kde XCY (Ω) predstavuje kapacitnú reaktanciu kompenzačného kondenzátora v Y zapojení,

XL (Ω) predstavuje induktívnu reaktanciu sériovej filtračnej indukčnosti.

Podrobnejšie je tento vzťah odvodený v publikácii [1]. Výsledné napätie na kondenzátore

bude:

nC UaU ⋅= (V). (5.3)

Na kompenzačnom kondenzátore teda vplyvom indukčnosti narastie napätie na

( ) V71,46416,14001068,7050246,159

46,159400 3LCY

CYnC =⋅=

⋅⋅⋅π⋅−⋅=

−⋅= −XX

XUU ,

čo predstavuje jeho preťaženie o približne 16%. Podľa katalógových údajov výrobcu môže

byť kondenzátor takto zaťažovaný po dobu max. 30 min v priebehu 24 hodín. Preto ak

chceme navrhnúť kompenzačné zariadenie schopné trvalej prevádzky, musíme použiť

kondenzátor s najbližším vyšším menovitým napätím. Z normalizované radu napätí 400,

440, 525 a 690V zvolíme hodnotu UCn = 525V. Keďže požadujeme rovnaký kompenzačný

výkon pri zmenenom napätí, musíme znovu určiť parametre rezonančného obvodu, t.j.

kapacitu použitého kondenzátora a k nej indukčnosť filtračnej cievky. Najskôr teda

zvolíme potrebný kondenzátor, čiže jeho menovitý kompenzačný výkon QKn , ktorý sa

udáva pri jeho menovitom napätí UCn . Keďže na svorkách kondenzátora bude

v skutočnosti napätie len 465V, musíme vykonať potrebný výkonový prepočet, pri ktorom

budeme za konštantnú považovať jeho kapacitu resp. kapacitnú reaktanciu.

var12754655251000 2

2

2

2Cn

KKn =⋅=⋅=UU

QQ

Z bežne vyrábaného sortimentu použijeme teda kondenzátor 1,5 kvar / 525 V. Hodnota

menovitého kompenzačného výkonu predstavuje výkon trojfázový a pre ďalšie výpočty

použijeme len jeho tretinovú hodnotu vzťahujúcu sa na jeden kondenzátor.

Ω=== 25,5515005252

K

2Cn

C QU

X , µF77,525,551502

11

CK =

⋅⋅π⋅=

⋅ω=

XC

Náhradná kapacita CKY pri zapojení kondenzátorov do hviezdy na fázové napätie

a príslušná indukčnosť filtračnej tlmivky pre danú rezonančnú frekvenciu bude

( ) µF32,17

5003/525502

1112

K1f

2CfCY

KY =

⋅⋅π⋅

=⋅ω

=⋅ω

=

QUX

C

( ) ( )mH45,81

1032,1713421

211

62KY

2rKY

2r

F =⋅⋅⋅π⋅

=⋅⋅π⋅

=⋅ω

=−CfC

L

Keďže parametre L a C, resp. XL a XC sú navzájom previazané cez Thomsonov vzťah,

ostáva ich pomer pre konštantnú rezonančnú frekvenciu zachovaný. Na svorkách

kondenzátora po jeho pripojení na sieť bude teda zhodne ako v predchádzajúcej úvahe

napätie UC = 464,71V.

Ostáva ešte spomenúť, ako sa zmenia výkonové pomery v CHKZ ak do neho

nainštalujeme takto navrhnutý rezonančný filter. Keby sme na sieť s napätím Un = 400V

pripojili pre kompenzáciu účinníka len kondenzátorovú batériu tvorenú trojicou do

trojuholníka zapojených kondenzátorov s kapacitou CK = 3 x 5,77µF, dodávala by do siete

kapacitný jalový výkon QK3f = 870,75 var ≈ 0,9 kvar. Ak do obvodu zaradíme aj sériovú

indukčnosť, stúpne napätie na svorkách kondenzátora na UC = 465V , ale súčasne sa

spotrebuje časť jeho jalového výkonu na vytvorenie magnetického poľa v okolí filtračnej

tlmivky.

Spotrebovaný výkon bude úmerný druhej mocnine prúdu IL tečúceho cievkou

s induktívnou reaktanciou XL. Prúd v obvode pri zanedbaní jeho činného odporu určíme

z Ohmovho zákona nasledovne

A1,159,2575,183

230

LCY

f

cel

fL =

+=

+==

XXU

XUI a var96,301,159,25 22

LL∆L =⋅=⋅= IXQ

Do vzťahov je dosadená efektívna hodnota napätia a veľkosti oboch reaktancií v absolútnej

hodnote. Vypočítaný výkon sme stanovili len pre jednu fázu a celkový magnetizačný

výkon trojice filtračných tlmiviek bude teda Q∆L = 3 · 30,96 = 92,89 var. Celkový

kompenzačný výkon zostavy kompenzačný kondenzátor – filtračná tlmivka bude potom

kvar1var84,108389,9273,1176∆LKCK ≅=−=−= QQQ

Analogický výpočet musíme urobiť pre všetky kompenzačné stupne. Vypočítané

parametre rezonančného filtra pre fr = 134 Hz sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.

Kondenzátorová batéria Filtračná tlmivka Zostava

č.

st.

QCn3f

(kvar)

CCD

(µF)

UCn

(V)

UCskut

(V)

LF

(mH)

Q∆L3f

(var)

QK3fcel

(kvar)

1. 1,5 3 x 5,77 525 465 81,45 92,89 1

2. 3 3 x 11,55 525 465 40,72 185,27 2,2

3. 4,5 3 x 17,32 525 465 27,14 278,01 3,3

4. 6 3 x 23,1 525 465 20,36 370,76 4,3

Tab. 5.1 Vypočítané parametre chráneného kompenzačného zariadenia

Zostrojený kompenzačný rozvádzač (NKZ) môžeme za použitia uvedených

komponentov prestavať na chránené kompenzačné zariadenie. Takáto rekonštrukcia

obnáša výmenu kondenzátorových batérií a dodatočnú inštaláciu sériových filtračných

tlmiviek. Tieto sa vyrábajú len pre kompenzačné stupne vyšších výkonov (od 12,5 kvar),

preto musia byť vyrobené špeciálne pre túto aplikáciu. Okrem už spomenutých faktov

poslúži predradená indukčnosť aj ako tlmiaci člen, ktorý obmedzí prúdové rázy pri

spínacích pochodoch.

Prechodom prúdu cez tlmivku vznikajú na jej činnom odpore Joulove straty, tieto

nadobúdajú hodnotu asi 9 W / 1 kvar. Rovnako aj na zvode kondenzátora vznikajú činné

straty, ktoré sú však minimálne a predstavujú hodnotu 0,5 W / 1 kvar.

5.3 Technicko-ekonomické aspekty výberu kompenzačného zariadenia

Za účelom väčšej názornosti som vykonal cenový prieskum kompenzačných zariadení

dostupných na našom trhu. V tabuľke č. 5.3 sú uvedené orientačné ceny kompenzačných

rozvádzačov tak, ako ich uvádzajú renomovaný výrobcovia na svojich www stránkach.

Základná cena bez DPH

druh kompenzačného zariadenia

Menovitý výkon

kompenzačného zariadenia

(kvar) nechránené chránené

100 67 500 Sk 136 700 Sk

200 123 000 Sk 179 700 Sk

300 164 800 Sk 236 800 Sk

400 222 200 Sk 287 800 Sk

Tab. 5.3 Prehľad cien kompenzačných rozvádzačov

Rozvádzače chránených kompenzačných zariadení obsahujú zhodnú prístrojovú náplň

ako je to v prípade kompenzačných rozvádačov nechránených, navyše doplnenú o pole

filtračných tlmiviek. Výkony kondenzátorových batérií so zodpovedajúcim napäťovým

dimenzovaním sú oproti aplikáciám v NKZ navýšené o jalový výkon odoberaný

tlmivkami. Rozvádzače uvedených výkonov sú navyše vybavené ventilačnými

zariadeniami, ktoré zabezpečujú potrebný odvod stratového tepla. Ako hlavný istiaci prvok

je použitý výkonný deiónový istič, ktorého cena predstavuje niekedy až 13% celkovej ceny

rozvádzača.

Ďalej je zaujímavé cenové porovnanie kondenzátorových batérií a trojfázových

filtračných tlmiviek pre jednotlivé kompenzačné výkony. Toto porovnanie znázorňuje

tabuľka č. 5.4

Základná cena bez DPH Kompenzačný výkon

(kvar) 3f kondenzátorová batéria 3f filtračná tlmivka

6,25 1 936 Sk 5 550 Sk

12,5 2 631 Sk 5 806 Sk

20 3 100 Sk 7 000 Sk

25 3 400 Sk 8 300 Sk

Tab. 5.4 Ceny kondenzátorov a ochranných tlmiviek

Pre úplnnosť je vhodné uviesť, že nechránený kompenzačný rozvádzač, ktorý sme

zostrojili v rámci praktickej časti tejto diplomovej práce, predstavoval investíciu v hodnote

24 000 Sk. V prípade, že by sme ho chceli upraviť na kompenzačný rozvádzač chránený,

bolo by na to potrebné opakovane vynaložiť rovnaké množstvo finančných prostriedkov.

Prestavba by teda predstavovala 100 % -né navýšenie nákladov.

Na základe spomenutých faktov možno urobiť nasledovné závery. Obstarávacie

náklady pre chránené kompenzačné zariadenia sú oproti zariadeniam nechráneným

dvojnásobné. Súvisí to priamo s cenou filtračných tlmiviek, ktoré sú 3 až 5-krát drahšie

ako bežne používané kondenzátorové batérie. Kompenzačné kondenzátory na menovité

napätie 440V a 525V, ktoré sa v chránených zariadeniach vyskytujú najčastejšie, sú

v priemere o 20 % nákladnejšie ako bežné kondenzátorové batérie s menovitým napätím

400V. Použitie ochranných indukčností je teda náležité len v kombinácii s kondenzárormi

vysokých výkonov, ktorých prípadné poškodenie by predstavovalo značné finančné straty.

Táto skutočnosť predurčuje CHKZ hlavne na použitie v náročných priemyselných

aplikáciách s vysokým rizikom prúdového preťažovania kompenzačných stupňov hlavne

od harmonických vyšších rádov. Mieru rizika je možné spoľahlivo stanoviť len na základe

merania obsahu harmonických zložiek tak, ako som to popísal v úvode tejto práce.

Výsledkom merania by malo byť stanovenie celkovej efektívnej hodnoty prúdu

kondenzátorom a jej porovnanie s prípustnými hodnotami, ktoré sú dané normou a ktoré si

určujú aj samotní výrobcovia kompenzačných kondenzátorov.

5.4 Normatívy platné pre oblasť kompenzácie účinníka

Nutnosť odoberať elektrickú energiu s minimálne neutrálnym účinníkom, tak ako ho

stanovuje STN 33 3080, je zakotvená v podmienkach pre pripojenie odberných miest do

siete ktoréhokoľvek distribučného podniku. Spomenutá norma nesie názov : „

Kompenzácia induktívneho výkonu statickými kondenzátormi“ a je v platnosti už od

marca 1978, kedy bola vydaná ešte ako norma ČSN. Od 1.1.1993 platí aj na Slovensku ako

prevzatá a nepreložená STN. Jej účelom je stanoviť zásady platné pri projektovaní

a používaní silových kondenzátorov pre hospodárnu kompenzáciu účinníka. Norma rieši

len statickú kompenzáciu realizovanú stupňovitým spínaním kompenzačných

kondenzátorov. V časti o názvosloví definuje pojmy ako „ statický kondenzátor“, „

kondenzátorová batéria“ a uvádza členenie kompenzačných zariadení podľa jednotlivých

kritérií tak, ako sú uvedené v teoretickom úvode tejto práce.

V norme je poukázané aj na možné preťažovanie kondenzátorov harmonickými zložkami

napätia vyšších rádov a je stanovená aj maximálna trvalá prúdová preťažiteľnosť

kompenzačných kondenzátorov. Podrobnejšie riešia pripojenie a prevádzku

kompenzačných kondenzátorov normy STN 35 8205 [12] „Kondenzátory pre silnoprúdové

zariadenia“ a STN 35 8206 [13] „Paralelné kondenzátory pre kompenzáciu jalového

výkonu v sieťach do 100 Hz“. Uvedené normatívy poukazujú na nevýhody použitia takejto

kompenzácie v súvislosti s výskytom rezonancií a pohlcovania signálu HDO, ako riešenie

predkladajú použitie sériovo radenej cievky ako dolnopriepustného filtra, ale bližšie sa tzv.

chránenou kompenzáciou nezaoberá. Od 1.9.2001 je v platnosti prevzatá a doposiaľ

nepreložená technická norma STN EN 61 642 (35 8216), ktorá nesie názov : „Aplikácie

filtrov a paralelných kondenzátorov v sieťach ovplyvňovaných harmonickými napätiami

vyšších rádov“. V časti o názvosloví sú definované pojmy ako : „harmonické zložky

vyšších rádov“, „charakteristické harmonické zložky vyšších rádov“ a „sériová a paralelná

rezonancia“. Ďalej norma rieši aplikáciu tzv. ladených a neladených filtrov a zaoberá sa aj

frekvenčnými charakteristikami kondenzátorov, či sériových LC obvodov. Podrobnejšie je

problematika popisovaná už len v platných európskych a celosvetových technických

normách.

Záver

Po dôkladnom preštudovaní predkladanej práce by mal čitateľ získať základné

znalosti o problematike kompenzácie ako takej a jej aplikácii v sieťach nízkeho napätia.

Dôraz bol kladený na ozrejmenie teoretickej časti problematiky a na dokonalé pochopenie

kľúčových pojmov, akými sú : jalový výkon, účinník a kompenzácia účinníka. Na základe

priblížených skutočností je možné principiálne pochopiť a analyzovať prevádzku

kompenzačných zariadení v praxi. Mnohým javom, na ktoré je poukázané v tejto práci, nie

je venovaná pri návrhu a realizácii týchto zariadení dostatočná pozornosť, čo spôsobuje ich

vyššiu poruchovosť a negatívny dopad na sieť. Nechránené kompenzačné zariadenia, tak

ako sú tu popísané, sú v súčasnosti najbežnejšou formou vyhotovenia kompenzačných

rozvádzačov. Praktická časť práce bola preto orientovaná na návrh a konštrukciu práve

takéhoto zariadenia. V časti venovanej chráneným kompenzačným zariadeniam ponukám

návod, jako postupovať pri možnej prestavbe zhotoveného rozvádzača na kompenzačné

zariadenie chránené. Pre úplnosť ponúkam aj cenový prieskum dostupných

kompenzačných zariadení. Zo záverov tejto práce ale plynie, že pre zabezpečenie vyššej

životnosti a prevádzkovej spoľahlivosti je vhodné nahradiť NKZ kompenzačnými

zariadeniami chránenými, ktoré predstavujú technicky dokonalejšie riešenie.

Zoznam príloh

Príloha č. 1: Cenník poplatkov za odoberanú elektrickú energiu pri odbere so zhoršeným

účinníkom

Príloha č. 2: Tabuľka dovolených hodnôt niektorých napäťových harmonických tak ako

ich stanovuje [7]

Príloha č. 3: Schéma zapojenia kompenzačného rozvádzača zhotoveného vrámci

praktickej časti tejto diplomovej práce

Príloha č.4: Schéma zapojenia obvodu pre merania na kompenzačnom rozvádzači počas

seminárnych cvičení

Príloha č. 5: Príklad grafického výstupu z merania na kompenzačnom rozvádzači

Zoznam použitej literatúry

[1] Altus,J.; Novák,M.; Otčenášová,A.; Pokorný,M.: Nepriaznivé vplyvy na elektrizačnú

sústavu, skriptá ŽU, Žilina, 1997

[2] Altus,J.; Novák,M.; Otčenášová,A.; Pokorný,M.: Elektromagnetická kompatibilita

elektrizačných sústav, skriptá ŽU, Žilina 2004

[3] Neveselý,M.: Teoretická elektrotechnika II, skriptá VŠDS, Žilina, 1993

[4] Salon,T.: Interakcia kompenzačných zariadení a signálu HDO, dizertačná práca ZUP,

Plzeň, 2006

[5] Šimončík, P.: Problematika účinníka spôsobená odberom a prenosom elektrickej

energie, DP, KETE – EF, Žilina 2000

[6] Kremničan, K.: Odborná spôsobilosť elektrotechnikov a podnikateľov, odborná

príručka, Práca, Bratislava 1997

[7] STN EN 50160 Charakteristiky napätia elektrickej energie dodávanej z verejnej

distribučnej siete, technická norma, SÚTN, Bratislava 2002

[8] STN EN 61642 Aplikácie filtrov a paralelných kondenzátorov v sieťach

ovplyvňovaných harmonickými napätiami vyšších rádov, technická norma, SÚTN,

Bratislava 2001

[9] STN 33 2000-4-41 Ochrany pred úrazom elektrickým prúdom, technická norma,

SÚTN, Bratislava 2000

[10] STN 33 2000-5-523 Dovolené prúdy. technická norma, SÚTN, Bratislava 1995

[11] STN 33 3080 Kompenzácia induktívneho výkonu statickými kondenzátormi,

technická norma, SÚTN, Bratislava 1993

[12] STN 35 8205 Kondenzátory pre silnoprúdové zariadenia, technická norma, SÚTN,

Bratislava 1993

[13] STN 35 8206 Paralelné kondenzátory pre kompenzáciu jalového výkonu v sieťach

do 100 Hz, technická norma, SÚTN, Bratislava 1993

[14] STN EN 60446 Značenie izolovaných vodičov farbami a číslami, technická norma,

SÚTN, Bratislava 2004

[15] STN 34 3100 Bezpečnostné požiadavky na obsluhu a prácu na elektrických

inštaláciách, technická norma, SÚTN, Bratislava 2001

[16] www.elcom.cz , internetová stránka firmy ELCOM a.s. Praha CZ

[17] www.els-zilina.sk , internetová stránka firmy ELS s.r.o. Žilina

Čestné prehlásenie

Prehlasujem, že som túto diplomovú prácu vypracoval samostatne s použitím

uvedenej literatúry.

V Žiline dňa 21.05.2007 ..................................................

Žilinská univerzita v Žiline

Elektrotechnická fakulta

Katedra výkonových elektrotechnických systémov

Diplomová práca

Prílohová časť

2007 Adam Pramuka

Príloha č. 1: Prehľad sankčných poplatkov pri odbere s účinníkom (cosφ) nižším ako 0,95 (ind.) [5]

rozsah

tgφ

(-)

účinník

cosφ

(-)

zvýšená

tarifa

(%)

rozsah

tgφ

(-)

účinník

cosφ

(-)

zvýšená

tarifa

(%)

0,311-0,346 0,95 - 1,008-1,034 0,70 37,59

0,347-0,379 0,94 1,12 1,035-1,063 0,69 39,66

0,380-0,410 0,93 2,26 1,064-1,092 0,68 41,80

0,411-0,440 0,92 3,43 1,093-1,123 0,67 43,99

0,441-0,470 0,91 4,63 1,124-1,153 0,66 46,25

0,471-0,498 0,90 5,58 1,154-1,185 0,65 48,58

0,499-0,526 0,89 7,10 1,186-1,216 0,64 50,99

0,527-0,533 0,88 8,37 1,217-1,249 0,63 53,47

0,554-0,580 0,87 9,68 1,250-1,281 0,62 56,03

0,581-0,606 0,86 11,02 1,282-1,316 0,61 58,67

0,607-0,632 0,85 12,38 1,317-1,350 0,60 61,40

0,633-0,659 0,84 13,79 1,351-1,386 0,59 64,23

0,660-0,685 0,83 15,22 1,387-1,423 0,58 67,15

0,686-0,710 0,82 16,69 1,424-1,460 0,57 70,18

0,711-0,736 0,81 18,19 1,461-1,494 0,56 73,31

0,737-0,763 0,80 19,74 1,495-1,532 0,55 76,56

0,764-0,789 0,79 21,32 1,533-1,579 0,54 79,92

0,790-0,815 0,78 22,94 1,580-1,620 0,53 83,42

0,816-0,841 0,77 24,61 1,621-1,663 0,52 87,05

0,842-0,868 0,76 26,32 1,664-1,709 0,51 90,82

0,869-0,895 0,75 28,07 1,710-1,755 0,50 94,74

0,896-0,922 0,74 29,87 nižší nižší 100

0,923-0,949 0,73 31,72

Tab. 1: Zvýšená tarifa za odber so zhoršeným účinníkom podľa rozhodnutia Úradu pre

reguláciu sieťových odvetví zo dňa 30.09.2005

Príloha č. 2: Prehľad dovolených hodnôt napäťových harmonických podľa

STN EN 50160 [7]

nepárne harmonické

nie násobky troch násobky troch

párne harmonické

rád

harmonickej

h (-)

harmonické

napätie

Uh (%)

rád

harmonickej

h (-)

harmonické

napätie

Uh (%)

rád

harmonickej

h (-)

harmonické

napätie

Uh (%)

5 6 3 5 2 2

7 5 9 1,5 4 1

11 3,5 15 0,5 6..24 0,5

13 3 21 0,5

17 2

19 1,5

Tab. 1: Úrovne jednotlivých harmonických napätí v predávajúcom mieste nízkonapäťovej

siete v percentách Un pre rády až do 25

Príloha č. 3: Viacpólová schéma zapojenia zhotoveného kompenzačného

rozvádzača NKZ (ProfiCad 4.6.1 freeware)

23 1,5

25

Príloha č. 4: Viacpólová schéma zapojenia obvodu pre meranie na

kompenzačnom rozvádzači NKZ (ProfiCad 4.6.1 freeware)

Príloha č. 5: Príklad grafických výsledkov z merania na kompenzačnom

rozvádzači NKZ (BK 500)

Obr. 1: Grafický priebeh jalového výkonu základnej harmonickej Q vo fáze L1

odoberaného zo siete v čase t pri pripojenom kompenzačnom zariadení

Obr. 2: Grafický priebeh účinníka cosφ vo fáze L1 v čase t pri pripojenom

kompenzačnom zariadení