t - Utc.sk

DIPLOMOVÁ PRÁCA

Priezvisko a meno: Pramuka Adam Rok: 2007Názov diplomovej práce: Analýza a návrh kompenzačných zariadení s ohľadom nakvalitu elektrickej energieFakulta: elektrotechnickáKatedra: výkonových elektrotechnických systémovPočet strán: 58 Počet obrázkov: 12 Počet tabuliek: 5Počet grafov: 6 Počet príloh: 5 Počet použitých literatúr: 17Anotácia: (slovenský jazyk):Táto diplomová práca sa zaoberá problematikou kompenzácie účinníka v sieťachnízkeho napätia. V prvej časti ponúka ucelenú teóriu potrebnú na zvládnutie problematikya zaoberá sa príčinami vzniku odberu so zhoršeným účinníkom. Ďalej rieši návrh obochdruhov kompenzačných zariadení a popisuje konštrukciu zhotoveného kompenzačnéhorozvádzača, ktorý predstavuje praktický prínos tejto práce. Záver práce je venovanýtechnicko-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 lowvoltage electric network. In the first part it offers the whole theory, which is necessary forencompassment of this problem and it deals also with the causality of energy demand byaggravated power factor. Next it handles the layout of both types of compensation devicesand describes the construction of the switchgear, witch was buil and is a practical gain ofthis diploma work. The last part is dedicated to technical-economic aspects of power factorcompensation 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. 2007Zoznam použitých symbolov a skratieka– koeficient zvýšenia napätia na kondenzátore

A – integračná konštanta Fourierovho rozvojaB – integračná konštanta Fourierovho rozvojaC – kapacita kondenzátoraC K– kapacita kompenzačného kondenzátoracosφ – účinník odberucosφ k – účinník po kompenzáciiCHL – činiteľ harmonického zaťaženia kondenzátoruD – veľkosť deformačného výkonuf – frekvenciaf rf 1g ihiII CI čI jI m– rezonančná frekvencia LC obvodu– frekvencia základnej harmonickej zložky– činiteľ deformácie– rád harmonickej zložky– okamžitá hodnota prúdu– efektívna hodnota prúdu– efektívna hodnota prúdu kondenzátora– veľkosť činnej zložky prúdu– veľkosť jalovej zložky prúdu– amplitúda prúdu•I•j- fázor prúdu- jednotkový vektor posunutia o 90º elektrickýchL – indukčnosť cievkyL F– indukčnosť filtračnej tlmivkyL TR – indukčnosť transformátoraP – veľkosť činného výkonu∆P – činné stratyQ – veľkosť jalového výkonuQ CQ LQ KRs– veľkosť kapacitného jalového výkonu– veľkosť induktívneho jalového výkonu– veľkosť kompenzačného jalového výkonu– činný odpor (rezistancia)– okamžitá hodnota zdanlivého výkonuS – veľkosť zdanlivého výkonut – časTHD i – činiteľ harmonického skreslenia prúdu

THD u – činiteľ harmonického skreslenia napätiauU– okamžitá hodnota napätia– efektívna hodnota združeného napätiaU C – efektívna hodnota napätia na kondenzátoreU f – efektívna hodnota fázového napätiaU m – amplitúda napätiaU n – efektívna hodnota menovitého združeného napätia∆U – veľkosť úbytku napätiaW– energia elektrického poľa•Z - fázor impedancieZX– veľkosť impedancie– reaktanciaX C – kapacitná reaktanciaX Lφλω– induktívna reaktancia– fázový posun– faktor výkonu– uhlová frekvenciaCHL – Capacitor Harmonic LoadF-K – Filtračno-KompenzačnéHDO – Hromadné Diaľkové OvládanieI> - prúdové preťaženieCHKZ – Chránené Kompenzačné ZariadenieNKZ – Nechránené Kompenzačné ZariadenieKZ – Kompenzačné ZariadenieNS – Nadradená SústavaPTP – Prístrojový Transformátor PrúduTHD – Total Harmonic Distortion (ang.)TR - TRansformátorÚvod

Náplňou tejto práce je komplexné priblíženie problematiky kompenzácie jalovéhovýkonu v sieťach nízkeho napätia. Počas prevádzky kompenzačných zariadení, ktoré sau nás aplikujú už niekoľko desiatok rokov, sa do popredia dostávajú otázky týkajúce sapríčin vzniku poruchových stavov týchto zariadení, súčasne s otázkami ich použitias ohľadom na ich ekonomickú výhodnosť, bezpečnú a spoľahlivú prevádzku, či ichminimálny negatívny vplyv na napájaciu sieť. V prvej časti práce uvádzam teoreticképoznatky, ktorých znalosť je podmienkou, pre zvládnutie popisovanej problematiky a naktoré sa budem odvolávať pri pojednávaní o jednotlivých častiach kompenzačnýchzariadení, či pri analýze prevádzkových stavov zariadenia ako takého. Ďalej chcempriblížiť rozdelenie kompenzačných zariadení podľa miesta a spôsobu ich nasadeniaa taktiež podľa funkčnosti a princípu činnosti. V druhej časti práce sú popísané jednotlivéspôsoby kompenzácie resp. jednotlivé kompenzačné zariadenia tak, ako sa aplikujúv praxi. Práca by mala slúžiť širokej odbornej verejnosti, hlavne organizáciám,zaoberajúcimi sa kompenzáciou jalového výkonu v praxi, ako vhodná pomôcka pri návrhutakýchto zariadení, prípadne pri vyšetrovaní ich prevádzkových či poruchových stavov.AutorObsahÚvod ......................................................................................................................................81. Teoretická analýza problematiky ..................................................................................91.1 Analýza odberu v rozvodnej sieti nízkeho napätia.....................................................9

S = U ⋅ I (V.A). (1.5)V obvodoch s lineárnymi spotrebičmi má tento výkon dve zložky, výkon činný a výkonjalový. Veľkosť činného výkonu je daná súčinom efektívnych hodnôt napätia a prúdu a jeúmerná kosínusu uhla fázového posunu podľa vzťahuP = U ⋅ I ⋅ cosϕ (W), (1.6)kde cosφ je účinník odberu, ktorý vyjadruje pomer výkonu činného a zdanlivéhoPcos ϕ = (-). (1.7)SVeľkosť jalového výkonu dostane z výkonového trojuholníkaQ2 2= S − P aleboQ = U ⋅ I ⋅ sinϕ (var). (1.8)Z uvedeného vyplýva, že v striedavých obvodoch s lineárnymi spotrebičmi saodoberaný zdanlivý výkon rozdelí úmerne sínusu resp. kosínusu uhla fázového posunumedzi napätím a prúdom v obvode, na výkon jalový a výkon činný. Spotrebič, ktoréhoimpedancia má len reálnu zložku, teda nespôsobuje fázový posun, neodoberá podľa (1.7)žiaden jalový výkon.Okrem už spomínaných zariadení, ktoré potrebujú jalový výkon pre zmagnetizovaniesvojich častí, dochádza k odberu tohto výkonu aj u elektronických aplikácií, kde fázovýposun medzi napätím a prúdom spôsobujú polovodičové ventily, ktoré spínajú s určitýmoneskorením. V takýchto zapojeniach pre obvodové veličiny neplatí Ohmov zákona nazývame ich nelineárne spotrebiče, pretože odoberajú zo zdroja neharmonický prúd. Prezdanlivý výkon v takýchto obvodoch môžeme napísať:S +2 2 2= P + Q D (V.A), (1.9)kde D je deformačný výkon spotrebiča a definujeme ho vzťahom:D =∑∑∞ ∞k=1 l=12 2 2 2[ U ⋅ I + U ⋅ I − 2 ⋅U⋅U⋅ I ⋅ I ⋅ cos(ϕ −ϕ)]fk l fl kfkfl k l k l(V.A). (1.10)Pre úplnosť uvádzam aj vzťahy pre zdanlivý, činný a jalový výkon v takýchto obvodoch:∞∑k=1∞∑22S = U fk⋅ I (V.A), (1.11)∞∑k=1k∑k kk=0k=0∞P = Ufk⋅ I ⋅ cos ϕ = Pk(W), (1.12)

Q =∞∑∑Ufk⋅ I ⋅ sin ϕ = Qk kk=0k=0∞k(var). (1.13)Jednotlivé l-té a k-té členy dostaneme, keď neharmonickú funkciu rozložíme naharmonické zložky podľa Fourierovej teorémy. Výkonové pomery charakterizuje faktorvýkonu daný:Pλ = = cos ϕ ⋅ g i(-), (1.14)Skde g i je tzv. činiteľ deformácie, definovaný ako pomer efektívnej hodnoty základnejharmonickej prúdu k celkovej efektívnej hodnote neharmonického deformovaného prúdu.Úvahu o jalovom výkone môžeme zavŕšiť tým, že si uvedomíme, že tento môže podľadefinície (1.7) nadobúdať „kladné“ hodnoty pre ϕ ∈ 0;π / 2 , vtedy ho nazývame jalovývýkon induktívneho charakteru a „záporné“ hodnoty pre ϕ ∈ − π / 2; 0, kedy má jalovývýkon charakter kapacitný. Väčšina priemyselne používaných elektrospotrebičov odoberázo siete práve induktívny jalový výkon, ktorého kompenzáciu táto práca rieši.1.4 Fyzikálny princíp kompenzácie účinníkaSkutočnosť, že spotrebiče, ktoré potrebujú pre svoje fungovanie prítomnosťmagnetického poľa, používajú na jeho generovanie cievku, zapríčiňuje vznik fázovéhoposunu v ich obvode a odber induktívneho jalového výkonu. Toto sa navonok z pohľadusiete javí ako odber so zhoršeným účinníkom, ktorý je nutné kompenzovať. Dôvody prečoje dôležité kompenzovať sú uvedené v kapitole 2. V obvode s induktorom sa prúdoneskoruje za napätím a táto skutočnosť je príčinou odberu jalového výkonu.Jeho veľkosť je daná vzťahom2UfQL= (var), (1.15)XLkde U f (V) je efektívna hodnota fázového napätia a X L je induktívna reaktanciadefinovanáXL= ω⋅ L = 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ L (Ω), (1.16)

kde ω (rad.s -1 ) je uhlová frekvencia, f (Hz) je frekvencia napájacieho napätia a L (H)indukčnosť cievkyZaraďme preto do obvodu prvok, ktorý bude vytvárať opačný fázový posun akocievka. Takúto vlastnosť má kondenzátor. Tento bude po pripojení do obvodu odoberať zozdroja kapacitný jalový výkon daný vzťahomkde X C je kapacitná reaktancia, pre ktorú platí2UfQC= (var), (1.17)XC1 1XC= =(Ω), (1.18)ω⋅ C 2 ⋅ π ⋅ f ⋅ Ckde C (F) je kapacita kondenzátora. Veľkosť celkového jalového výkon Q je daná taktoPre prúd v takomto zapojení potom píšemeQ = Q L+ Q C(var). (1.19)Um() t = sin( ωt+ ϕ + ϕ ) = I sin( ωt+ ϕ )iL C mvys(A), (1.20)Zkde φ L (rad) je fázový posun spôsobený cievkou, φ C (rad) fázový posun zapríčinenýkondenzátorom a φ vys (rad) je výsledný fázový posun v obvode.Ak chceme teda, aby bol jalový výkon odoberaný zo zdroja nulový, musí podľa (1.7)platiť sin ϕ = 0 ⇔ ϕ = 0 ˚. Ak splníme túto podmienku, budú prúd a napätie vo fáze a zozdroja bude podľa (1.5) odoberaný len činný výkon. V takomto prípade bude podľa vzťahu(1.18) Q = − . Tento poznatok môžeme považovať za princíp kompenzácie ako takej.ĹQ CFyzikálna podstata kapacitora a induktora uvedená v kapitole 1.3 spája tieto dva zotrvačnéprvky s existenciou jalového výkonu.Po pripojení kondenzátora s kapacitou C (F) na zdroj harmonického napätias efektívnou hodnotou U (V), potečie obvodom nabíjací prúd, ktorý je nevyhnutný pretvorbu elektrického poľa vo vnútri kondenzátora. Vytvorené elektrické pole jecharakteristické svojou energiou, ktorej veľkosť určíme zo vzťahuWC122= ⋅ C ⋅U(J). (1.21)Kondenzátor je schopný túto energiu akumulovať, prípadne ju odovzdať do obvodu.Proces „nabíjania“ a „vybíjania“ prebieha v kondenzátore s frekvenciou napájaciehonapätia.

Na cievke o indukčnosti L (H) pripojenej na striedavé napätie s efektívnou hodnotouU (V) periodicky vzniká a zaniká magnetické pole. Veľkosť energie naakumulovanejv tomto poli určíme zo vzťahuW122L= ⋅ L ⋅ I (J). (1.22)Keď sú takéto dva prvky paralelne spojené a pripojené na sieť, dochádza medzi nimik výmene energie naakumulovanej v ich poliach. Hovoríme, že medzi nimi kmitá alebo„cirkuluje“ jalový výkon. Tento potom nemusí byť odoberaný zo siete. Na výhodytakéhoto riešenia bude poukázané v kapitole 2.a) b)Obr. 1.2 Tok jalového výkonu odoberaného induktívnou záťažou v sietia) s kompenzáciou b) bez kompenzácieZ uvedenej úvahy vyplýva, že cievka je spotrebičom induktívneho jalového výkonua naopak zdrojom jalového výkonu kapacitného charakteru. Kondenzátor sa správa presnenaopak. Zo siete odoberá kapacitný jalový výkon a sám je do obvodu schopný dodávaťjalový výkon induktívneho charakteru.2. KOMPENZÁCIA ÚČINNÍKA2.1 Následky odberu so zhoršeným účinníkomOdber jalového výkonu, t.j. jeho výroba a prenos sústavou je sprevádzaný niekoľkýminegatívnymi faktormi, ktoré delíme na

• technické,• ekonomické.Obidva aspekty spolu úzko súvisia.2.1.1 Technické aspekty odberu so zhoršeným účinníkomMajoritným zdrojom jalového výkonu vo všeobecnej sieti je synchrónny generátor.Tento je schopný trvale dodávať do siete výkon, až po menovitú hodnotu svojhozdanlivého výkonu S G (VA). Je zdrojom činného aj jalového výkonu a ich pomer je danýtzv. P-Q diagramom, ktorý súvisí so stabilitou jeho chodu. Podstatný je fakt, že dodávkajalového výkonu do siete sa deje na úkor dodávky užitočného činného výkonu a má zanásledok zhoršenie účinnosti η G s akou sa v generátore deje premena mechanickej energiena energiu elektrickú. Takto vyrobený jalový výkon sa prenáša z miesta výroby na miestospotreby prostredníctvom vedenia, na ktorom dochádza vplyvom pretekania jalovéhoprúdu k úbytkom napätia, pre ktorý platí vzťahfV( R + & j ⋅ X ) ⋅ ( I − & j ⋅ I ) = ( R ⋅ I + X ⋅ I ) + & j ⋅ ( X ⋅ I − R ⋅ I )∆ U& = Z&⋅ I&=. (2.1)VVčjVčVjVčVjZo vzťahu je zrejmé, že k najväčšiemu úbytku napätia dochádza pretekaním jalovéhoprúdu I j práve reaktanciou vedenia X V , nakoľko rezistancia vedenia R V je v porovnanís jeho reaktanciou zanedbateľne malá. Úbytok napätia na rezistancii spôsobí premenuelektrickej energie na energiu tepelnú, ktorá sa vyžiari do okolia. Hovoríme, že vznikajústraty∆ I (W). (2.2)22P = RV⋅ I = RV⋅ Ič+Použité vzťahy vyjadrujú úbytok napätia a Joulove straty vzaté na jednu fázu vedenia.2jObr. 2.1 Následky prenosu jalového výkonu sústavou

Okrem už spomenutých skutočností, ovplyvňuje výroba a prenos jalového výkonusústavou aj skratové pomery vo vnútri sústavy. Pri zväčšenom budení generátora budetento do siete pri skrate dodávať zvýšený skratový výkon a vedeniami potečie v okamihuskratu nárazový skratový prúd, obmedzený len sériovo radenými reaktanciami častírozvodu.U&iI& ′′k=(A), (2.3)& j ⋅ ( X ′′d+ XT+ XV)kde U i vyjadruje hodnotu vnútorného indukovaného napätia v stroji v okamihu skratu,X ′ drázovú reaktanciu generátora, X T reaktanciu transformátora aX V reaktanciu vedenia.2.1.2 Ekonomické aspekty odberu so zhoršeným účinníkomPrevádzka generátora s nižšou účinnosťou danou súčasnou dodávkou jalovej aj činnejenergie si vyžaduje na strane výrobcu elektrickej energie zvýšenie vstupných nákladov.Distribučným podnikom sa zvyšujú investičné náklady pri kúpe nových zariadení, ktorémusia byť dimenzované na prenos celkového výkonu, t.j. výkonu zdanlivého podľa (1.8).Podobne treba vnímať aj ekonomickú náročnosť prevádzky všetkých prvkov v rozvodnejsieti vzhľadom na straty a eventuálne poruchy zapríčinené preťažovaním zariadení. Značnúpoložku predstavujú náklady na stavbu vedení, či už v distribučnej sústave alebov jednotlivých prevádzkach, ktoré je potrebné dimenzovať aj s ohľadom na prenos jalovejenergie.Všetky spomenuté náklady sa premietnu do konečnej ceny elektriny pre koncovýchodberateľov, ktorí platia okrem za dodanú „silovú“ elektrinu a straty aj sankčné poplatkyza odber so zhoršeným účinníkom. Distribútor elektrickej energie stanovil hodnotu tzv.neutrálneho účinníka na cos ϕ = 0, 95 induktívneho charakteru. Prevádzkovanie zariadenípri cos ϕ = 1 v praxi vzhľadom na reálne vlastnosti jeho prvkov nie je možné a navyše byviedlo k značnému zvýšeniu hodnôt skratových prúdov, ktoré by boli obmedzené lenrezistanciou vedenia. Funkcia kosínus nadobúda hodnoty z intervalu 0 ; 1 , je párna a pretonie je niekedy možné určiť charakter fázového posunu a teda rozlíšiť, či je účinník odberu

kapacitný alebo induktívny. Názornejšie vyjadruje výkonové pomery veličina tgφdefinovaná taktoQtg ϕ = (-). (2.4)PTáto veličina, prípadne priamo cosφ opatrený rozlišovacím znakom (+,-) je meranáfakturačným meradlom, ktorým je vo väčšine prípadov dvojkvadrantový elektronickýelektromer, prípadne u starších zariadení je možné použiť dva rôzne elektromery premeranie činnej a jalovej energie. V prílohe č.1 uvádzam sankčné platby za zhoršenýúčinník.2.2 Spôsoby kompenzácie účinníkaPodľa toho kde kompenzačné zariadenie v sieti umiestnime, delíme kompenzáciu na• individuálnu,• skupinovú,• centrálnu.Individuálna kompenzácia je nainštalovaná priamo pri spotrebiči jalového výkonua pripája sa spravidla na svorkovnicu zariadenia. Jej najväčšou výhodou je prenos jalovéhovýkonu na veľmi krátku vzdialenosť a úplné odľahčenie všetkých rozvodov. Taktokompenzovať každý spotrebič by bolo ale ekonomicky neprijateľné.Výhodná sa javí byť skupinová kompenzácia v rámci jednotlivých prevádzok, kde saprenosom jalového výkonu zaťažujú len rozvody vo vnútri podniku. V podmienkachrozvodnej siete je možné kompenzovať aj väčšie celky tým, že kompenzačné zariadeniepripojíme 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 prejeho celkovú impedanciu danú (1.1) platiloZ & = R , čo nastane ak bude platiť XL= XCAk teda vhodne zvolíme parametre L a C môžeme pre určitú frekvenciu dosiahnuť sériovúrezonanciu a obvodom bude tiecť len prirodzený výkon. Týmto spôsobom je vhodnékompenzovať úbytky napätia vo vedení tým, že na jeho koniec zaradíme do série sozáťažou kondenzátor. Tento musí byť ale dimenzovaný na celý prevádzkový prúdodberného zariadenia, ako aj na skratové prúdy, ktoré sa môžu v danom mieste vyskytnúť.Uvedená metóda však nepriaznivo vplýva na skratové pomery tým, že potlačením vplyvureaktancie rastú skratové prúdy.Obr. 2.2 Principiálna schéma sériovej kompenzácieParalelná kompenzácia predstavuje najrozšírenejší druh kompenzáciev priemyselných podmienkach a tvorí ťažisko aj tejto práce. Spočíva v paralelnompripojení kompenzačného prostriedku k spotrebiču jalového výkonu, tak aby dochádzalok prenosu jalového výkonu len medzi kompenzačným prostriedkom a spotrebičom. Prespotrebiče induktívneho charakteru je takýmto prostriedkom kondenzátor.Ak vieme, že spotrebič odoberá činný výkon P, jeho odber je pred kompenzácioucharakterizovaný hodnotou tgφ 1 a kompenzačným prostriedkom chceme dosiahnuťhodnotu tgφ 2 je nutné nainštalovať zariadenie s kompenzačným výkonomK( tgϕ− ϕ )Q = P ⋅ tg (var). (2.5)12Zo vzťahu (1.16) môžeme určiť potrebnú kapacitu kondenzátora. Ak takúto kompenzáciuaplikujeme v trojfázovej nn sieti s fázovým napätím U f (V) a združeným napätím U (V)bude vzhľadom na spôsob zapojenia kondenzátorov potrebná kapacita jednéhokondenzátora

CQ= K(F), (2.6)23⋅ω⋅Uak sú kondenzátory zapojené do trojuholníka aCQK= (F), (2.7)23⋅ω⋅Ufpri zapojení kondenzátorovej batérie do hviezdy a na fázové napätie.Obr. 2.3 Principiálna schéma paralelnej kompenzácie3. KOMPENZAČNÉ ZARIADENIA3.1 Kompenzačné prostriedkyKompenzačnými prostriedkami nazývame všetky zariadenia, ktoré sú schopné doobvodu dodávať jalový výkon. Podľa ich konštrukčného riešenia ich delíme na• statické,• rotačné.

Rotačné kompenzačné prostriedky sú zariadenia resp. elektrické stroje s veľkýmvýkonom, ktoré dodávajú veľké množstvo jalového výkonu do rozsiahlych sietí. Ichpoužitie 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 vinutiavnútorné magnetické pole, ktoré sa prostredníctvom elektromagnetickej indukcie prenášacez vzduchovú medzeru stroja a spôsobuje vznik indukovaného napätia vo vinutí statora.Veľkosť indukovaného napätia a jalového výkonu súčasne, regulujeme veľkosťoujednosmerného budiaceho prúdu. Týmto regulačným mechanizmom meníme nielenveľkosť ale aj druh jalového výkonu.Statické kompenzačné prostriedky sú základom väčšiny kompenzačných zariadeníaplikovaných v nízkonapäťových sieťach. Do tejto skupiny patria• kompenzačný kondenzátor,• kompenzačná tlmivka.Vlastnosti týchto prvkov sme podrobne rozobrali v kapitole (1.26). Kondenzátory sapre trojfázové sústavy dodávajú vo forme tzv. kondenzátorovej batérie, ktorá obsahujetrojicu kondenzátorov spojených buď do hviezdy alebo do trojuholníka.Kompenzačné prostriedky pripájame na sieť buď trvale, prípadne ich môžeme spínaťpodľa potreby prostredníctvom stýkačov. Ak je vzhľadom na charakter odberu potrebnédodávaný výkon regulovať v kratšom čase ako to umožňujú elektromagnetické stýkače,predradíme kompenzačnému zariadeniu polovodičový spínač, ktorým môže byť v prípadekondenzátora napäťový striedač a v prípade tlmivky tyristorový spínač. Takéto zariadenienazývame SVC (Static Var Compensator).

a) b) c)Obr. 3.1 Spôsob pripájania statických kompenzačných prostriedkov na sieťa) spínanie pomocou elektromagnetického stýkačab) tyristorová regulácia prúdu dekompenzačnej tlmivkyc) regulácia kompenzačného výkonu meničom3.2 Rozdelenie kompenzačných zariadeníNepriaznivé vplyvy odberných zariadení na napájaciu sieť v praxi eliminujemenasadením podporných prostriedkov do miest, kde miera „znečistenia“ prekračujestanovené hranice. Medzné hodnoty kvalitatívnych parametrov elektrickej energiestanovuje STN EN 50160 [7]. Prevádzkovateľ distribučnej sústavy určuje technicképodmienky, za ktorých môže byť odberateľ pripojený k verejnej sieti a ktoré musia byťdodržané aj počas prevádzky pripojených zariadení. Medzi ukazovatele kvality odberupatria predovšetkým nesymetria, flicker, harmonické zložky napätia a prúdu a účinníkodberu. Podľa toho, na potlačenie ktorého zo spomenutých nepriaznivých vplyvov bolizariadenia navrhnuté, ich delíme na:• klasické kompenzačné zariadenia,• filtračno-kompenzačné zariadenia,• aktívne filtre.3.3 Aktívne filtreAktívne filtre sú pomerne zložité elektronické zapojenia konštruované tak, aby boloich prevádzkou dosiahnuté potlačenie pokiaľ možno čo najväčšieho množstva negatívnychfaktorov, s ktorými sa v danom mieste siete stretávame. Ich prevádzkou môžeme odstrániťalebo aspoň na prípustnú mieru obmedziť výskyt harmonických zložiek napätia, zmierniťnapäťovú nesymetriu v trojfázovej sieti a v neposlednom rade aj zabrániť kolísaniuefektívnej 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 dosiete potrebné priebehy napätí a prúdov a dotvárať tak výsledný odoberaný prúd tak, abyspĺňal technické požiadavky naň kladené. Základné zapojenie takéhoto filtra si môžemepredstaviť ako dvojkvadrantový menič schopný rekuperácie, ktorý pozostávaz polovodičových spínačov s antiparalelne radenými diódami a je ešte doplnený o potrebnéindukčnosti 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 filtra3.4 Filtračno – kompenzačné zariadeniaFiltračno-kompenzačné zariadenia sú prioritne nasadzované pre elimináciuharmonických zložiek v sieťach, ale zároveň sa vďaka svojim vlastnostiam chovajú akokompenzátory induktívneho jalového výkonu pre základnú harmonickú. Sú to vlastnerezonančné filtre pozostávajúce z L a C prvkov, naladené na frekvenciu h – tejharmonickej, ktorú chceme zo siete odfiltrovať. Rezonančná frekvencia je danáThomsonovym vzťahom1fr= (Hz). (3.1)2 ⋅ π ⋅ L ⋅C

Impedancia sériového rezonančného L-C filtra je daná súčtom oboch reaktancií podľavzťahuZ&f= & j ⋅ X − & j ⋅ XLpre danú rezonančnú frekvenciu platiť, žeCa k rezonancii v takomto obvode dôjde práve vtedy, keď budeXL= X Ca výsledná impedancia bude maťteoreticky nulovú hodnotu. V skutočnosti nebude impedancia nulová, ale bude danáhodnotou rezistancie takéhoto zapojenia, ktorú sme v prvotnej úvahe zanedbali.Jav prúdovej rezonancie je sprevádzaný tokom maximálnej hodnoty prúdu pri danomnapätí , ktorý je obmedzený len ohmickým odporom zapojenia.V praxi potom takto ladený rezonančný filter predstavuje pre napätia, ktoré kmitajús rezonančnou frekvenciou f r obvod nakrátko – skrat a dochádza k tzv. odsávaniu týchharmonických napätí zo siete tým, že sa menia na činnom odpore obvodu na teplo a súodvádzané chladiacim médiom do okolia. F-K zariadenia spravila obsahujú niekoľkotakýchto filtrov, ktoré sú naladené na frekvenciu tých harmonických, ktoré dosahujúv danom bode siete najvyššie hodnoty, resp. hodnoty prekračujúce povolené medze.Obr. 3.3 F-K zariadenie s filtrami na 3., 5., 7. harmonickúprúdu, ktorú v sieti spôsobila nelineárna záťaž IMZ hľadiska kompenzácie účinníka je dôležité chovanie sa rezonančného obvodu prenapätia s frekvenciou inou, ako je frekvencia rezonančná. Podstatnou je v tomto prípadeimpedancia filtra pri rôznych frekvenciách napätia v obvode. Grafické vyjadrenie tejtozávislosti predstavuje tzv. frekvenčná charakteristika filtra. Z obr. 3.4a je zrejmé chovaniesa hodnôt kapacitnej reaktancie X C , ktorej veľkosť s rastúcou frekvenciou hyperbolickyklesá a naopak induktívnej reaktancie X L, ktorej hodnota s rádom harmonickej lineárnenarastá. V bodex = f rplatí y1= y2t.j. XC, h= XL, h. Matematicky vyjadríme tietozávislosti na základe vzťahov (1.16) a (1.18) .

XL, h= h ⋅ XL,1= h ⋅ 2 ⋅ π ⋅ f1⋅ L (Ω), (3.2)XC,h=XC,1h=1h ⋅ 2 ⋅ π ⋅f1⋅C(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. harmonickeja) meniaca sa hodnota reaktancie v závislosti od frekvencieb) celková impedancia filtra pre 1. až 40. harmonickú frekvenciuRezonančný filter sa javí pre frekvencie vyššie ako je frekvencia rezonančná akospotrebič induktívneho charakteru, nakoľko v jeho celkovej reaktancii prevažuje veľkosťreaktancie induktívnej. Zaujímavejšia je však oblasť nižších frekvencií, medzi ktoré patrí ajfrekvencia základnej harmonickej.V tomto frekvenčnom pásme je dominantná kapacitná reaktancia, ktorá s klesajúcimrádom harmonickej výrazne narastá. Filter predstavuje pre základnú harmonickú kapacitnúimpedanciu a je do siete schopný dodávať induktívny jalový výkon a podieľať sa tak nakompenzácii 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 harmonickúbude

QK,12Uf,1= (var). (3.4)X − XC,1L,13.5 Klasické kompenzačné zariadeniaKompenzačné zariadenia dodávajú do siete potrebný jalový výkon tak, aby došlok zlepšeniu účinníka odberu a k eliminácii toku tohto výkonu sústavou. V podmienkachsietí nízkeho napätia prevažujú kompenzátory induktívneho jalového výkonu, ktorýchzákladným kompenzačným prostriedkom je kondenzátor. Podľa vyhotovenia rozlišujemkompenzačné zariadenia chránené a nechránené. Ich funkciou a konštrukciou sa budemeďalej podrobne zaoberať v kapitolách 4 a 5. Aby sme mohli rozhodnúť, pre ktoréz uvedených zariadení sa v danom prípade rozhodneme, musíme poznať pomery v mieste,kde chcem zariadenie pripojiť na sieť. Určujúcim faktorom sú kvalitatívne parametreelektrickej energie, z ktorých najpodstatnejšie pre prevádzku kompenzačných zariadení súharmonické prúdu a napätia vyšších rádov.3.6 Harmonické v elektrických sieťachMedzi základné kvalitatívne parametre tak, ako ich uvádza norma STN EN 50160 [7],patrí harmonické spektrum napätí v sieti. Jedná sa o neharmonické priebehy, ktoré akspĺňajú Dirichletove kritériá, vieme rozložiť do nekonečného Fourierovho radu takto:u∞( t) A ⋅ sin( h ⋅ ω⋅ t) + B ⋅ cos( h ⋅ ω⋅t)∞= ∑ U, h ∑ U,h. (3.5)h=0h=0Koeficienty Fourierovho radu môžeme analyticky určiť zo vzťahov2π1AU, h=π∫ sin0[ u( ωt) ⋅ ( h ⋅ ω⋅t)] dωt2π1BU, h=π∫ cos0[ u( ωt) ⋅ ( h ⋅ ω⋅t)dωt] . (3.6)Neharmonické napätie a prúd budú mať efektívne hodnotyU=1TT⎡∞∫ ⎢∑0⎣h=1Uh⋅ sin⎤⎥⎦∞( h ⋅ ω⋅ t + ϕU,h) dωt= ∑2h=1U2h, (3.7)I=1TT⎡∞∫ ⎢∑0⎣h=1Ih⋅ sin⎤⎥⎦∞( h ⋅ ω⋅ t + ϕI,h) dωt= ∑2h=1I2h. (3.8)

Pre posúdenie deformácie krivky prúdu a napätia za účelom zavedenia určitýchkvalitatívnych parametrov zavádzame tzv. obsah základnej harmonickej akoU1I1g = ⋅100(%) pre napätie a g = ⋅100(%) pre prúd. (3.9)U IUIZa účelom normalizácie sa pre posúdenie celkového harmonického skreslenia zaviedolfaktor celkového harmonického skreslenia ( total distortion factor) THDUhpričom uh= ,U402THDU= ∑u h(-) pre napätie a = ∑1h=2IIhi h= ,1402Ii hh=2THD (-) pre prúd, (3.10)kde U h (V) a I h (A) je efektívna hodnota napätia a prúdu harmonicej rádu h,U 1 (V) a I 1 (A) je efektívna hodnota napätia a prúdu základnej harmonickej.Dôležitý je poznatok, že primárnou príčinou vzniku napäťových harmonických jeodoberanie neharmonických prúdov nelineárnymi zariadeniami. Odozva prúdovýchharmonických v napätí je daná skratovým výkonom siete v danom bode pripojeniazariadenia, ktoré takéto harmonické produkuje. Medzi takéto zariadenia patria všetkynelineárne záťaže a elektronické aplikácie s polovodičmi, ktoré sa na “znečistení” sietepodieľajú najviac. Prípustné harmonické skreslenie napätia v sieti nn uvádza normaSTN EN 50160 [7] a s ňou súvisiace normy. Hodnoty stanovené normou uvádzam vprílohe č.2 . Prítomnosť napäťových harmonických v sieti, kde má byť nainštalovanékompenzačné zariadenie je pre fungovanie tohto zariadenia nežiaduca.Na dôvody takéhoto konštatovania bližšie poukazujem v kapitole 4. Stanovenie spektraharmonických zložiek a ich amplitúdy určíme meraním alebo podrobným výpočtom chodusiete. Na meranie takýchto veličín sú určené technicky pomerne náročné meracie prístroje,ktoré sú vďaka ich cenovej náročnosti, len zriedka kedy projektantom prístupné. Na našomtrhu sa stretneme s prístrojmi TOPAS 1000 a BK 500, ktoré podrobne analyzujúkvalitatívne parametre elektrickej energie. Spôsoby na elimináciu harmonických bolinaznačené 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 sieťachnežiaduca, sa v elektrických rozvodoch stretneme aj s užitočnými signálmi, šírenýmis frekvenciou vyššou ako je frekvencia základnej harmonickej. Medi najvýznamnejšie patrísystém hromadného diaľkového ovládania HDO, ktorým je zabezpečené ovládaniefakturačných elektromerov (prepínanie taríf), stýkačov spínajúcich vykurovacie zariadenia,či zariadenia pre ohrev TÚV v domácnostiach, ako aj ovládanie sústav verejnéhoosvetlenia, či riadenie činnosti rozsiahlych technologických zariadení v priemyselnýchpodmienkach. Systém HDO je súčasťou tzv. terciárnej regulácie frekvencie (činnéhovýkonu), ako prostriedok, ktorým možno regulovať odoberaný výkon na strane spotrebya udržiavať tým vyrovnanú výkonovú bilanciu celej sústavy. Signál tohto systému jegenerovaný vysielačmi pracujúcimi do napäťovej hladiny vvn 110 kV, resp. vn 22 kV,ktoré sú v rámci jednotlivých distribučných podnikov centrálne riadené. Riadiacafrekvencia, tak ako je uvedená v tab. 3.1, je namodulovaná na sínusový priebeh základnejharmonickej menovitého napätia siete. Takto šírený signál s amplitúdou max. 5 V sadostáva ako tzv. sériový telegram prostredníctvom silového rozvodu k prijímačom, ktorésú nainštalované v elektromerových rozvádzačoch jednotlivých spotrebiteľov. Tieto potompodľa svojho programového kódu vysielajú impulzy na jednotlivé spínacie zariadenia.Distribučný podnikZSE a.s.SSE a.s.VSE a.s.Frekvencia signálu HDO216,6 Hz191 Hz, 216,6 Hz, 750 Hz216,6 Hz, 1060 HzTab. 3.1 Frekvencia signálu HDO v podmienkach jednotlivých distribútorov v rámci SR

Frekvencie sú volené tak, aby neboli celočíselným násobkom základnej frekvencie siete,t.j. aby sa nekryli s frekvenciami napäťových harmonických, čím by bola negatívneovplyvnená prevádzka celého systému HDO.V sieťach pokrytých signálom HDO sa prevádzka kompenzačných zariadení spájas negatívnym javom, ktorým je tzv. „odsávanie“ riadiaceho signálu kompenzačnýmikondenzátormi. Tieto predstavujú pre priebehy uvedených frekvencií zníženú impedanciu,podobne ako tomu bolo u vyšších rádov harmonických frekvencií. Kompenzačnézariadenie teda pohlcuje tento signál, čím jednak preťažuje zdroje signálu HDO a vneposlednom rade spôsobuje negatívne dodatočné prúdové zaťaženie pre vlastnýkondenzátor. U nechránených kompenzačných zariadení, ktoré obsahujú len prostýkondenzátor, nie je možné tomuto javu zabrániť. Naopak vhodným naladením L-C členachráneného zariadenia môžeme tomuto negatívnemu javu vo veľkej miere predísť. Okremskratovania signálu HDO je vhodné zaoberať sa aj rezonanciou tohto signálu, spôsobenouparametrami obvodu, t.j. kapacitou kompenzačného kondenzátora a indukčnosťou napr.distribučného transformátora. Vplyvom rezonančných javov dochádza v niektorýchmiestach siete potom k nežiaducemu napäťovému zosilneniu signálu HDO, prípadne indezas k jeho úplnému potlačeniu. Javom rezonancie, či už prúdovej alebo napäťovej sabudeme podrobnejšie venovať pri jednotlivých kompenzačných zariadeniach.4. NECHRÁNENÉ KOMPENZAČNÉ ZARIADENIAÚvodV sieťach, v ktorých nepredpokladáme prítomnosť napäťových harmonických a ktorénie sú pokryté signálom HDO, prípadne v ktorých sú uvedené vplyvy minimálne, možnona kompenzáciu účinníka použiť tzv. nechránené kompenzačné zariadenie (NKZ). Tietozariadenia sú u nás doteraz najpoužívanejšie. Vďaka ich jednoduchej konštrukcii a nízkejekonomickej náročnosti ich používa väčšina odberateľov, ktorý majú problém dodržaťpredpísané hodnoty účinníka.

4.1 Konštrukcia NKZStatické kompenzačné zariadenie, ktorého základnou stavebnou jednotkou jekondenzátorová batéria, obsahuje zariadenia slúžiace na meranie, riadenie, spínaniea ochranu. Schéma takéhoto zariadenia je uvedená na obr.4.1.Obr. 4.1 Schéma pripojenia nechráneného kompenzačného zariadenia na sieťZ obrázku je zrejmé, že kompenzačné zariadenie pripájame do siete v mieste, medzifakturačným meradlom spotreby elektrickej energie, ktoré súčasne vyhodnocuje aj účinníkodberu a pripojenými elektrospotrebičmi, ktoré zapríčiňujú odber so zhoršenýmúčinníkom. Pripájanie kondenzátorových batérií sa deje samočinne za pomocielektromagnetických stýkačov (KM), ktorých spínanie riadi centrálny regulátor (Reg.).Tento prostredníctvom prístrojových transformátorov prúdu (PTP) a svojho napäťovéhovstupu, vyhodnocuje parametre odberu a v prípade poklesu hodnoty účinníka podnastavenú hodnotu dochádza k pripojeniu požadovanej kompenzačnej jednotky na sieť.V prípade potreby je možné stýkače nahradiť elektronickými spínačmi, čím docielimevysokú plynulosť regulácie dodávaného jalového výkonu.

4.2 Konštrukčné časti NKZV praxi používané kompenzačné zariadenia pre siete nn sa dodávajú ako tzv.kompenzačné rozvádzače, ktorého výzbroj tvoria nasledujúce prvkya) 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 nadprúdua chránia tak všetky elektrické prístroje v kompenzačnom rozvádzači. V praxi sa používajúpoistkové odpájače, resp. sady výkonových nožových poistiek v kombinácii s deiónovýmističom. Pri výbere týchto zariadení je nutné brať ohľad na nadprúdy, ku ktorým dochádzapri náhlom pripojení či odpojení kapacitnej záťaže. Je vhodné používať preto poistkya ističe s tzv. predĺženou dobou vybavovania.Spínacie prístroje sú vo väčšine prípadov elektromagnetické vzduchové stýkačes obmedzovacími odpormi. Tieto umožňujú spínať kapacitnú záťaž tak, aby nedochádzalok ostrým prúdovým špičkám, čím predlžujú životnosť celého systému a zmierňujúnegatívny dopad na napájaciu sieť. Paralelne zdvojené kontakty radia pri každomzapínacom i vypínacom cykle do série s kapacitnou záťažou obmedzovacie odporya k zopnutiu silových kontaktov dochádza až po doznení prechodového deja.Takýmto spôsobom je možné predchádzať prúdovému preťažovaniu kontaktnéhoústrojenstva a znižovať zotavené napätie na kontaktoch pri ich rozpájaní. V prípade akpoužijeme bežné stýkače bez obmedzovacích odporov, je potrebné do séries kondenzátorovou batériou radiť reaktory, ktoré obmedzia spínacie prúdy. V sieťach, kdeje potrebné plynule regulovať veľkosť dodávaného jalového výkonu, sú stýkačenahrádzané 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 sao elektronické zariadenie, schopné na základe snímania okamžitých hodnôt prúdu a napätia

a ich fázového posunu, určiť potrebný kompenzačný jalový výkon v sieti a zabezpečiť tedaodber s požadovaným účinníkom. Výstup takéhoto zariadenia tvoria spínacie relé, ktorénásledne spínajú prostredníctvom silových stýkačov jednotlivé kompenzačné stupne.Kondenzátorová batéria je podstatou každého kompenzačného zariadenia.V trojfázových sieťach je zložená z trojice kondenzátorov spojených spravidla dotrojuholníka, z ktorých každý je opatrený vybíjacím odporom. Kovová nádobakondenzátorovej batérie má zabudovaný tlakový odpájač. Tento spôsobí odpojeniekondenzátorov od siete v prípade, že tlak v nádobe nebezpečne narastie. Výrobca udávakapacitu kondenzátorovej zostavy a jej jalový výkon pri danom napätí. Rozvádzačobsahuje niekoľko takýchto batérií a tieto sa podľa potreby prostredníctvom regulátoromovládaných stýkačov pripájajú na sieť, hovoríme o tzv. stupňovitej regulácii jalovéhovýkonu.Prípojnice a vodiče predstavujú galvanické spojenia živých častí so zhodnýmpotenciálom a zabezpečujú vodivé prepojenie medzi jednotlivými prvkamikompenzačného zariadenia. Centrálne fázové prípojnice bývajú realizované ako pásovévodiče z elektrotechnickej medi a ostatné vodivé spojenia sú realizované spravidla tiežmedenými vodičmi CYA. Prúdové dimenzovanie všetkých vodičov je robené s ohľadomna minimálny úbytok napätia a s tým súvisiace činné straty.4.3 Kondenzátor ako prvok NKZJalový výkon kompenzačného kondenzátora pripojeného na reálnu sieť je danýsúčtom jalových výkonov pre všetky napäťové harmonické, ktoré sa v sieti vyskytujúpodľa vzťahu∑ ∞h=1Q = U ⋅ I (var), (4.1)Chkde U h (V) je napätie h-tej harmonickej a I h (A) je prúd pre h-tu harmonickú daný vzťahomUhhIh= (Ω). (4.2)XC,h

Kapacitná reaktancia kondenzátora X C,h sa s frekvenciou mení podľa vzťahu (1.18) agraficky ju môžeme znázorniť pomocou tzv. frekvenčnej charakteristiky kondenzátoraObr. 4.2 Frekvenčná charakteristika kondenzátora 10 µF 400VKeďže hodnota kapacitnej reaktancie X C,h s rastúcou frekvenciou prudko klesá, dosahujúprúdy h-tych harmonický nezanedbateľné hodnoty a celkové prúdové namáhaniekondenzátora musíme určiť ako súčet prúdov od jednotlivých harmonických= ∑ ⋅∞ ICI C,h(Ω). (4.3)h=1Z uvedeného vyplýva, že prúdy vyšších harmonických spôsobujú prúdové preťažovaniekondenzátorov a tým skracovanie ich životnosti. Prídavné zaťaženie spôsobuje teda ajsignál HDO. Tieto fakty považujeme za základné negatíva NKZ.4.4 Rezonancia v sieťach s NKZZ frekvenčnej charakteristiky kondenzátora je zrejmé, že on sám nemôže vytvoriťrezonančný obvod. Ak sa však na kondenzátor pozeráme ako na prvok reálnej elektrickejsiete zistíme, že tento môže spolu s indukčnosťami jej prvkov takýto obvod vytvoriť. Preprípadné úvahy o rezonancii v takejto sieti je podstatná hlavne indukčnosť predradenéhodistribučného transformátora L T , pretože táto ostatné do série radené indukčnosti svojouveľkosťou výrazne prevyšuje. Podľa obr.4.3 je možné takéto zapojenie vnímať s ohľadomna referenčný bod ako sériový ale i paralelný rezonančný obvod.

Obr. 4.3 Nechránené kompenzačné zariadenie ako prvok elektrickej sieteV prípade ak za referenčný bod považujeme bod A, javí sa celá topológia ako sériovýrezonančný odvod a pre rezonančnú frekvenciu dochádza k prúdovému zosilneniu, čižeobvodom tečie maximálny prúd. Ak sa na obvod budeme pozerať z pohľadu zberne nn,čiže z bodu B, tvorí kompenzačné zariadenie s indukčnosťou transformátora paralelnýrezonančný 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 zariadeniaSúčasťou tejto diplomovej prace je aj návrh a konštrukcia nechránenéhokompenzačného zariadenia (NKZ). Zariadenie má slúžiť pre potreby výuky na katedreKVES v rámci predmetov, ktorých náplňou je priblíženie problematiky kompenzácieúčinníka a ako učebná pomôcka pri meraniach počas seminárnych cvičení. Jedná sao stupňovito spínané kompenzačné zariadenie, pozostávajúce z daného počtukondenzátorových batérií, ktoré budú k sieti pripojované automaticky za pomoci stýkačovriadených automatickým regulátorom jalového výkonu.

4.5.1 Návrh parametrov NKZNávrh kompenzačného zariadenia zahŕňa stanovenie napäťových, prúdovýcha výkonových pomerov v takomto zariadení, špeciálne pri stupňovito spínanýchzariadeniach aj počet a veľkosť jednotlivých kompenzačných stupňov.Napäťové dimenzovanieNapäťová sústava: 3x230/400V AC 50Hz, TN-C 3+PEN.Kompenzačné zariadenie bude inštalované na napäťovej hladine nn v priestorochškolských laboratórií, kde je rozvod realizovaný ako trojfázová štvorvodičová sústava TN-C, preto aj toto zariadenie je prispôsobené pre prevádzku v takejto sieti.Stanovenie kompenzačného výkonuZariadenie bude prevádzkované v laboratórnych podmienkach katedry KVES, kde sanachádzajú aj točivé stroje, ktoré odoberajú zo siete induktívny jalový výkon. Úlohounavrhovaného kompenzačného zariadenia je dodávať týmto spotrebičom potrebný jalovývýkon a odľahčiť tým rozvodnú sieť a zamedziť odberu so zhoršeným účinníkom. Nazáklade identifikácie strojového vybavenia učebne bol stanovený odoberaný jalový výkontakto:p.č. Inštalovaný spotrebič Q odber (max) charakter1 Asynchrónny motor s kotvou nakrátko (naprázdno) 4 kvar Ind.2 Synchrónny generátor (podbudený) 6 kvar Ind.Tab. 4.1 Súpis nainštalovaných spotrebičovCelkový odoberaný jalový výkon bude teda v najnepriaznivejšom prípade Q odber =10 kvar(ind.). Túto hodnotu trojfázového výkonu budeme teda považovať za požadovanýkompenzačný výkon navrhovaného kompenzačného zariadenia.

Určenie počtu a veľkosti kompenzačných stupňovStanovený celkový kompenzačný výkon je potrebné racionálne rozdeliť do viacerýchkompenzačných stupňov, aby bola zaručená optimálna dodávka jalového výkonus ohľadom na premenlivosť odberu strojov počas ich prevádzky. Zvolený početkompenzačných stupňov predstavuje teda akýsi kompromis medzi požiadavkou maximálnecitlivej regulácie a ekonomickým hľadiskom spojeným s počtom zakúpenýchkondenzátorových batérií. Pre našu aplikáciu som navrhol spínanie v štyroch stupňochs kompenzačným výkonom Q K1 až Q K4 . Hodnota prvého stupňa s najnižším výkonom jeohraničená dostupnosťou kondenzátorových batérií na našom trhu a bola stanovená naQ K1 = 1kvar. Pri výbere v poradí ďalších stupňov rešpektujeme zásadu Q K1< Q K2< Q K4

kompenzačný výkon pri menovitom združenom napätí sietekapacity kondenzátorov som stanovil na základe vzťahu (2.6).U n = 400V. PotrebnéPrúdové dimenzovanieVeľkosť fázových prúdov odoberaných jednotlivými kondenzátorovými batériami jeuvedená v tabuľke ..... Ide o efektívne hodnoty, ktoré sú rozhodujúce pre prúdovédimenzovanie prívodných vodičov. Pri ich výpočte však bolo uvažované len so základnouharmonickou napájacieho napätia. Keďže norma STN 33 3080 [11] pripúšťa až 43% trvalépreťaženie kondenzátora harmonickými prúdmi vyšších rádov je nutné počítať aj s týmtoprídavným prúdovým namáhaním.Spínací proces v obvode s kapacitnou záťažou spôsobuje vznik značnýchprúdových špičiek, ktoré dosahujú v momente zopnutia hodnotu rádovo stonásobne vyššiuako je ich menovitý prúd I n (A) v ustálenom stave. Preto je vhodné prívodné vedeniedimenzovať na prúdIdim= 2 ⋅ I . Na základe uvedených kritérií som pre pripojenienkondenzátorových batérií použil vodiče CYA s prierezom S = 2,5mm 2 zhodne pre všetkykompenzačné stupne. Vodiče budú istené tavnými poistkami s pomalou vypínacoucharakteristikou typu gG, určenými pre ochranu obvodov s kapacitnou záťažou. V súlades STN 33 2000-5-523 [10] som ich menovitý prúd stanovil na I n = 10A. Celkovýodoberaný prúd kompenzačného zariadenia stanovíme podľa vzťahu4cel= kϑ ⋅∑I nn=1I (A), (4.5)kde I n (A) sú efektívne hodnoty prúdov odoberaných n – tým kompenzačným stupňom,k υ (-) je koeficient súčasnej prevádzky jednotlivých stupňov, volíme k = 1.Výpočtom bola stanovená fázová hodnota celkového prúdu na 29A. Najbližšia vyššiahodnota z normalizovaného prúdového radu je 32A. Tento prúd zvolíme preto za menovitýprúd celého zariadenia a súčasne je to aj hodnota menovitého prúdu hlavného istiacehoprvku. Ako prívodné vedenie použijeme preto v súlade s [10] vodiče s prierezom S = 6mm 24.5.2 Konštrukcia NKZTechnický popis

Navrhované kompenzačné zariadenie je vyhotovené ako samonosný skriňovýkompenzačný rozvádzač. Schránku zariadenia vytvára oceľoplechová skriňa opatrenádvierkami s univerzálnym energetickým uzáverom na prednej strane. Skriňa má rozmery2000 x 500 x 500 mm. Rozvádzač je horizontálne členený na štyri polia. V najvrchnejšejčasti sa nachádza prívodné pole pre istenie a rozvod, pod ním je pole s poistkovýmiodpínačmi, ďalej nasleduje pole stýkačov a najnižšie umiestnený je nosný rošt prekondenzátory. Vo dvierkach je osadený automatický regulátor jalového výkonu a vo vrchnejčasti prednej strany sa nachádza signalizačný panel s optickými indikátormi rovnako akovýrobný štítok rozvádzača.Rozvádzač sa pripája na sieť pohyblivým prívodom (šnúra CGSG 4Bx6) pomocouzásuvkovej prípojky umiestnenej na pravej bočnej stene, kde je rovnako aj umiestnenázásuvka pre pripojenie automatického regulátora k prístrojovému transformátoru prúdu(šnúra CYSY 2Ax1). Galvanické prepojenie živých časti je urobené vodičmi CYAs prierezmi 1,5; 2,5 a 6 mm 2 , ktoré sú farebne rozlíšené podľa STN EN 60446 [14].Predpokladaný skratový prúd v mieste pripojenia zariadenia na sieť je maximálne 10kA, natento prúd sú dimenzované všetky prístroje v rozvádzači. Rozvádzač klasifikujeme akoelektrický predmet triedy ochrany I. Pri uzatvorených dvierkach je zaručené krytieminimálne IP20, po ich otvorení len IP10 resp. IP00. Obsluhu uvedeného zariadenia priuzatvorených dvierkach môžu vykonávať aj pracovníci poučený (bez elektrotechnickejkvalifikácie). 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 332000-4-41 [9] samočinným odpojením napájania v kombinácii s miestnym uzemnenýmpospájaním všetkých neživých vodivých častí a počas normálnej prevádzky izolácioua znemožnením prístupu k živým častiam krytom a zábranami. Podrobná schéma zapojeniakompenzačného rozvádzača je uvedená v grafickej prílohe č. 3

a) b)Obr. 4.4 Pohľad na zhotovený kompenzačný rozvádzača) skriňa rozvádzača s dvierkami a signalizačným panelomb) prístrojová náplň rozvádzačaRozmiestnenie elektrických prístrojova) I. pole – prívod a istenieprístrojová náplň : trojpólový istič LSN C 32A 1 ks – hlavný ističjednopólový istič LSN B 6A 1 ks – istenie ovládacích obvodovsvorkovnica 4 pól. L1, L2, L3, PEN 1 ks – rozvodradové svorky 8 ks – pripojenie regulátorab) II. pole – pole istenia kondenzátorovprístrojová náplň : trojpólový poistkový odpínač OPV10 4 ks – istenie kondenzátorovtavné poistky PV10 10A gG 12 ks – istenie kondenzátorovc) III. pole – pole stýkačovprístrojová náplň : trojpólový stýkač LC1-DK 20 A 4 ks – spínanie kompenzačných batériíd) IV. pole - pole kondenzátorových batériíprístrojová náplň : kondenzátorová batéria 1 kvar / 400 V 1 ks – kompenzáciakondenzátorová batéria 2 kvar / 400 V 1 ks – kompenzáciakondenzátorová batéria 3 kvar / 400 V 1 ks – kompenzáciakondenzátorová batéria 4 kvar / 400 V 1 ks – kompenzácia

e) signalizačný panelprístrojová náplň : signalizačná žiarovka E14, 230 V, 15 Wf) zásuvkový panelprístrojová náplň : zásuvková prívodka 3+PEN, 400 V, 32 A – prívod napätiazásuvka prístrojová 2P, 48 V, 10 A – prívod od PTPFunkčný popisKompenzačný rozvádzač je elektrické zariadenie určené pre stupňovitú kompenzáciuúčinníka v sieti nn. Regulačné zásahy predstavuje pripájanie kondenzátorových batérií nasieť a to podľa aktuálnych výkonových pomerov v kompenzovanej sieti. Hodnotypožadovaného jalového výkonu stanovuje automatický regulátor na základe nameranýchhodnôt napätia, prúdu a ich vzájomného fázového posunu. Meranie napätia sa deje priamona svorkách napájania regulátora a prúd je snímaný za pomoci pripojeného externého PTPso sekundárnym prúdom 5A (1A), ktorý je nainštalovaný do jednej fázy prívodnéhovedenia pre celú kompenzovanú sieť. Z uvedeného je zrejmé, že v sieti sa predpokladásúmerný odber, t.j. rovnaké výkonové pomery vo všetkých troch fázach. Zariadenie jevybavené 5-stupňovým digitálnym automatickým regulátorom typu NOVAR 5+.Na trojmiestnom display-i je možné striedavo zobraziť efektívne hodnoty fázovéhonapätia a prúdu, ďalej aktuálny účinník odberu, ako aj efektívne hodnoty niektorýchvybraných napäťových harmonických zložiek a faktora THD U . Pomocou obslužnéhosoftwaru je možné prostredníctvom ovládacích tlačidiel na panely regulátora zvoliťindikáciu požadovaného údaju a taktiež navoliť žiadané hodnoty účinníka odberuv rozsahu od 0,8 ind. až 0,8 kap. .Okrem tohto základného parametra môže užívateľ taktonastaviť ďalších cca 20 parametrov. Dôležitým údajom pre prevádzku kondenzátorovýchbatérií je tzv. činiteľ harmonického zaťaženia kondenzátoru CHL, ktorý udáva dodatočnéprúdové zaťaženie kondenzátoru prúdmi vyšších harmonických zložiek. Matematickymôžeme tento parameter vyjadriť taktokde h (-) je rád harmonickej,217⎛ h ⋅Uh⎞CHL = ∑⎜⎟ ⋅100(%) , (4.6)h= 1 ⎝ Un ⎠

U h (V) je efektívna hodnota hapätia h-tej harmonickej,U n (V) je efektívna hodnota menovitého napätia siete.Je vhodné nastaviť maximálnu prípustnú hodnotu tohto parametra, po prekročení ktorejzabezpečí regulátor automatické odpojenie kondenzátorov od siete, aby sa tak zabránilo ichtrvalému poškodeniu vplyvom nadmerného prúdového preťaženia.Po pripojení kompenzačného rozvádzača na sieť sa spustí proces automatickéhorozpoznávania jednotlivých pripojených kapacitných stupňov a to tak, že regulátorpostupne spína prostredníctvom svojich releových výstupov jednotlivé kondenzátory a nazáklade merania napätia a prúdu a po zistení viacnásobnej zhody im pripisuje hodnotukompenzačného výkonu. Po úspešnej identifikácii a nastavení prevádzkových parametrovje systém pripravený pracovať plne automaticky a udržiavať v sieti požadovanú hodnotuúčinníka až do svojho menovitého kompenzačného výkonu. V prípade potreby je možnévypnúť automatickú reguláciu a prejsť do režimu manuálneho riadenia. Regulačný processa deje stupňovito pripájaním jednotlivých kondenzátorových batérií, respektíve ichkombinácií na kompenzovanú sieť. Regulátor sleduje optimálne nasadzovanie jednotlivýchkondenzátorov s ohľadom na prevádzkovú dobu či počet zopnutých stupňov. Dôležité prispínaní kapacitných členov je aj dodržiavanie tzv. bezpečnostných prestávok, čiže zaručiťpredpísané vybitie kondenzátora prostredníctvom paralelných odporov skôr, ako dôjdek jeho opätovnému zapnutiu.Samotné spínanie sa deje prostredníctvom elektromagnetických stýkačov, špeciálneprispôsobených pre obvody s kapacitnou záťažou, ktoré v okamihu zopnutia zaraďujú dosérie s kondenzátormi tlmiace rezistory a týmto zabraňujú vzniku výraznýchprechodových dejov. Obmedzením prúdových špičiek a následného prepätia eliminujúnegatívne dopady spínacieho cyklu na kontaktné ústrojenstvo stýkača a taktiež nanapájaciu sieť.4.6 Meranie na kompenzačnom rozvádzači – návod na cvičenieZhotovený kompenzačný rozvádzač tak ako je popísaný v predchádzajúcej kapitole jevhodnou učebnou pomôckou pre problematiku kompenzácie účinníka a praktickejaplikácie NKZ v podmienkach siete s výskytom harmonických zložiek napätia a prúduvyšších rádov.Názov cvičenia : Kompenzácia účinníka a prúdové zaťažovanie kondenzátorov v NKZ

Úlohy :1. Meranie účinníka odberu pre rôzne prevádzkové stavy sústrojenstva2. Kompenzácia účinníka za použitia stupňovito spínaného NKZ3. Určovanie výskytu harmonických zložiek vyšších radov v danej sieti4. Meranie celkového prúdového zaťažovania kondenzátorovPomôcky :kompenzačný rozvádzač, sústrojenstvo – synchrónny generátor + pohon(asynchrónny motor), PTP, regulovateľný DC zdroj, regulovateľnýautotransformátor, PTP, súprava pre fázovanie, multimeter, sieťovýanalyzátor BK 500;Postup merania :Zostavu pre meranie zapojíme podľa schémy uvedenej v prílohe č. 4. Spustímeasynchrónny motor a meriame odoberaný jalový výkon a účinník odberu pre rôzne napätia.Napätie regulujeme autotransformátorom. Následne nastavíme napätie na menovitúhodnotu a prifázujeme synchrónny generátor na sieť. Zmenou budiaceho prúdu menímeveľkosť odoberaného jalového výkonu. Pripojíme kompenzačné zariadenie a vykonámemeranie kompenzácie účinníka pre rôzne pracovné body generátora.Všetky výsledky meraní uchováme v pamäti pripojeného sieťového analyzátora. Následnepripojíme jeho meracie vývody do miesta 2 a vykonáme harmonickú analýzu siete v súlades STN EN 50160. Meranie napäťových harmonických zložiek doplníme o meranieprúdových harmonických tečúcich cez kondenzátorové batérie. Toto meranie vypovedáo skutočnom prúdovom zaťažovaní kondenzátorov v NKZ pripojených na reálnu sieť.Získané výsledky spracujeme, interpretujeme graficky a vyhodnotíme. V obrazovej príloheč.5 je príklad grafického výstupu z podobného merania.

5. CHRÁNENÉ KOMPENZAČNÉ ZARIADENIA5.1 Rezonančné filtreTechnicky dokonalejšie riešenie v oblasti kompenzácie účinníka predstavujú v praxičoraz viacej používané chránené kompenzačné zariadenia. Statický kondenzátor akozákladná stavebná jednotka kompenzačných zariadení je v týchto aplikáciách chránenýpred prúdovým preťažením, ktoré predstavujú prúdy vyšších harmonických frekvencií akoaj pohlcovaný signál HDO, sériovo radenou indukčnosťou. Filtračná indukčnosť,konštruovaná ako tlmivka so železným jadrom, predstavuje pre vyššie frekvencie zvýšenúimpedanciu a zamedzuje tak toku prúdov týchto frekvencií cez kompenzačný kondenzátor.Takúto topológiu môžeme z elektrického hľadiska pomenovať ako sériový rezonančný LCobvod.

Obr. 5.1 Sériový rezonančný obvodPri konkrétnej kombinácii kapacity kompenzačného kondenzátora a indukčnostifiltračnej tlmivky dochádza v obvode pre danú frekvenciu k rezonancii. Túto frekvenciuoznačujeme 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, ktorýmohol vytvoriť rezonančný obvod len v kombinácii s indukčnosťou prvkov zapojenýchv danej sieti, tlmivkou chránený kondenzátor v CHKZ takýto obvod sám o sebe vytvára.Ochranná indukčnosť posúva rezonančnú frekvenciu v sieti s CHKZ a tým zabraňujevzniku rezonancií pre harmonické frekvencie, ktorých amplitúda napätia by mohlaspôsobiť značné prúdové preťažovanie kompenzačného kondenzátora. Podobne taktomôžeme zabrániť aj pohlcovaniu signálu HDO. Keďže indukčnosť filtračnej tlmivkyvolíme zámerne tak, aby sme dosiahli požadovanú rezonančnú frekvenciu, hovorímetakýmto obvodom ladené rezonančné obvody. Vo všeobecnosti sú naladené na tzv.neutrálnu frekvenciu, na rozdiel od filtračno-kompenzačných zariadení, ktorýchrezonančná frekvencia priamo predstavuje frekvenciu harmonickej zložky napätia, ktorúchceme zo siete odfiltrovať.Hodnotu neutrálnej frekvencie volíme s ohľadom na spektrum a amplitúdyharmonických zložiek vyšších rádov a taktiež s ohľadom na frekvenciu, ktorou je šírenýsignál HDO. V praxi najpoužívanejšia hodnota je 189Hz, ďalej 134Hz a 214Hz. Podstatnéje však vyhnúť sa spomenutým frekvenciám, aby nedošlo k ich pohlcovaniu, ktoré byspôsobovalo dodatočné prúdové zaťaženie kondenzátora a tlmivky. Na rozdiel od FKZ niesú prvky CHKZ na takéto prídavné zaťaženie dostatočne dimenzované.Ak chceme dôsledne analyzovať polohu CHKZ v sieti, musíme sa zaoberať ajsituáciu, kedy ladený LC člen môže vytvoriť podobný rezonančný obvod s ktorýmkoľvekprvkom uvažovanej siete, resp. s jeho indukčnosťou. Situácia je analogická ako prianalýze rezonancií v sieťach s NKZ. Rezonančná frekvencia takéhoto obvodu bude alevždy nižšia ako neutrálna frekvencia pôvodného LC člena. Tento dôležitý poznatok jezrejmý aj z nasledujúceho porovnania2 ⋅ π ⋅1L>F⋅CK2⋅ π1( LF+ LX) ⋅CK(5.1)kde L F (H) je indukčnosť filtračnej tlmivky,L X (H) je náhradná indukčnosť prvkov siete,

C K (F) je kapacita kompenzačného kondenzátora.Neutrálnu frekvenciu v praxi volíme teda tak, aby jej hodnota bola nižšia ako hodnotafrekvencií, pri ktorých by mohlo dôjsť k nežiadúcim rezonanciám. To aký rozdielfrekvencií postačuje, aby bolo zaručené, že na danej frekvencii k rezonancii nedôjde, závisíhlavne od činiteľa akosti resp. rozladenia rezonančného LC obvodu. Veľkosť prúdu priprípadnej rezonancii zase závisí od amplitúdy napätia danej frekvencie a od impedancieobvodu pri tejto frekvencii. Závislosť impedancie od frekvencie môžeme vyjadriťfrekvenčnou charakteristikou rezonančného filtra.Obr. 5.2 Frekvenčná charakteristika rezonančného obvodu v CHKZQ K = 1,5 kvar , C K = 82,2 µF, L F = 8,63 mH , f r = 189 Hz5.2 Návrh chráneného kompenzačného zariadenia

Pri návrhu CHKZ budeme vychádzať z výkonových parametrov už zostrojenéhokompenzačného rozvádzača (NKZ), tak ako som ich popísal v kapitole 4.5.1 . Postup prinávrhu je všeobecne aplikovateľný. Podstatou návrhu CHKZ, tak ako je vyobrazené naobr. 5.3 , je definovanie parametrov filtračnej tlmivky a následná kontrola dimenzovaniarezonančného dvojpólu.Obr. 5.3 Principiálna schéma pripojenia CHKZ na sieť

V tabuľke 4.1 sú uvedené základné parametre jednotlivých stupňov kompenzačnéhozariadenia, ako ich kompenzačné výkony, kapacitné prúdy vo fázach a kapacity trojicekondenzátorov, ktoré sú zapojené do trojuholníka. Pre určenie indukčnosti filtračnejtlmivky je však vhodné uvažovať ich zapojenie do hviezdy na fázové napätie. Takto savýrazne zjednoduší spomínaný výpočet. Preto urobíme transfiguráciu zapojeniakondenzátorov a to na základe podmienky rovnakého kompenzačného výkonu pri obochzapojeniach.Urobíme teda vzorový výpočet pre prvý kapacitný stupeň s kompenzačným výkonomQ K1 = 1kvar. Výkon jedného kondenzátora s kapacitou C K = 6,6 µF pre základnúharmonickú a pri združenom napätí siete Un = 400V vypočítame takto:222UnUn400QK= === 331,75var .X 11C−62 ⋅ π ⋅ f ⋅C2 ⋅ π ⋅50⋅ 6,6 ⋅101KAk uvažujeme jeho pripojenie na fázové napätie a kondenzátor má do siete dodávaťnezmenený kompenzačný výkon, môžeme určiť jeho náhradnú kapacitu C Kx nasledovne:2U 230 2fXCx= = = 159, 46Ωa 19,96 FQ 331,75C 11===Kx2 ⋅ π.f ⋅ X 2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅159,46µ .K1CxTeraz stanovíme rezonančnú frekvenciu uvažovaného rezonančného filtra. Nakoľko budezariadenie prevádzkované v sieti distribučného podniku SSE a.s. , kde je nosnoufrekvenciou signálu HDO frekvencia 191Hz a nami volená frekvencia by mal byť nižšia,preto pre zabezpečenie dostatočného odstupu volíme z normalizovaného radu frekvenciu134Hz. Na frekvenciách vyšších, teda aj na frekvencii HDO, by už k rezonanciám dôjsťnemalo. Indukčnosť sériovo radenej ochrannej tlmivky stanovíme pre zvolenú neutrálnufrekvenciu f rez aplikáciou Thomsonovho vzťahu,11LF=== 70,68mH .2C ⋅Kn2−6( 2 ⋅ π ⋅ f ) 19,96 ⋅10⋅ ( 2 ⋅ π ⋅134)rZ uvedeného teda plynie, že je vhodné do série s kompenzačným kondenzátoromzaradiť tlmivku s vypočítanou indukčnosťou a tým docieliť naladenie rezonančnéhoobvodu na požadovanú frekvenciu. Takúto indukčnosť je nutné zaradiť do každej fázy

prívodu ku kondenzátorovej batérii, preto býva v praxi realizovaná ako trojfázová tlmivkanavinutá na spoločnom jadre. Charakterizujeme ju tzv. činiteľom tlmenia a jej efektívnymistratami. Tieto hodnoty uvádzajú výrobcovia v katalógoch a technickej dokumentácii.Väčšiu pozornosť ich vlastnostiam však v práci venovať nebudeme. Dôležitý je ale fakt, žetakto pripojená tlmivka ovplyvní aj napäťové a výkonové pomery v CHKZ.Vplyvom vlastnej indukčnosti dochádza v obvode s induktorom k indukovaniunapätia, ktoré sa v každom okamihu sčítava s napätím siete a tým dochádza k zvyšovaniunapätia na kondenzátore. K jeho nárastu môže dôjsť aj pri tzv. napäťovej rezonancii, ktoráje popísaná v kapitole [4.4] . Pomerné zvýšenie napätia označujeme písmenom a a je danéaCY= (-) (5.2)XXCY− XLkde X CY (Ω) predstavuje kapacitnú reaktanciu kompenzačného kondenzátora v Y zapojení,X L (Ω) predstavuje induktívnu reaktanciu sériovej filtračnej indukčnosti.Podrobnejšie je tento vzťah odvodený v publikácii [1]. Výsledné napätie na kondenzátorebude:U= a ⋅ (V). (5.3)CU nNa kompenzačnom kondenzátore teda vplyvom indukčnosti narastie napätie naXCY159,46UC= Un⋅ = 400 ⋅= 400 ⋅1,16= 464,71V ,−3X − X 159,46 −CYL( 2 ⋅ π ⋅50⋅ 70,68⋅10)čo predstavuje jeho preťaženie o približne 16%. Podľa katalógových údajov výrobcu môžebyť kondenzátor takto zaťažovaný po dobu max. 30 min v priebehu 24 hodín. Preto akchceme navrhnúť kompenzačné zariadenie schopné trvalej prevádzky, musíme použiťkondenzátor s najbližším vyšším menovitým napätím. Z normalizované radu napätí 400,440, 525 a 690V zvolíme hodnotu U Cn = 525V. Keďže požadujeme rovnaký kompenzačnývýkon pri zmenenom napätí, musíme znovu určiť parametre rezonančného obvodu, t.j.kapacitu použitého kondenzátora a k nej indukčnosť filtračnej cievky. Najskôr tedazvolíme potrebný kondenzátor, čiže jeho menovitý kompenzačný výkon Q Kn , ktorý saudáva pri jeho menovitom napätí U Cn . Keďže na svorkách kondenzátora budev skutočnosti napätie len 465V, musíme vykonať potrebný výkonový prepočet, pri ktorombudeme za konštantnú považovať jeho kapacitu resp. kapacitnú reaktanciu.

QU2525= 1000⋅24652CnKn= QK⋅=2U1275varZ bežne vyrábaného sortimentu použijeme teda kondenzátor 1,5 kvar / 525 V. Hodnotamenovitého kompenzačného výkonu predstavuje výkon trojfázový a pre ďalšie výpočtypoužijeme len jeho tretinovú hodnotu vzťahujúcu sa na jeden kondenzátor.2U 525 2Cn11XC= = = 551, 25Ω, C = =5,77µFQ 500K ω⋅ X 2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅ 551,25=KCNáhradná kapacita C KY pri zapojení kondenzátorov do hviezdy na fázové napätiea príslušná indukčnosť filtračnej tlmivky pre danú rezonančnú frekvenciu budeLC1=ω⋅ X1=Uω⋅QKY==22CYCf1⋅C1K1f2 ⋅ π ⋅ 50 ⋅1( 525 / 3)500117,32µF= ==F 2226ωrKY ( 2 ⋅ π ⋅r) ⋅KY( 2 ⋅ π ⋅134)⋅17,32⋅10= −f C81,45mHKeďže parametre L a C, resp. X L a X C sú navzájom previazané cez Thomsonov vzťah,ostáva ich pomer pre konštantnú rezonančnú frekvenciu zachovaný. Na svorkáchkondenzátora po jeho pripojení na sieť bude teda zhodne ako v predchádzajúcej úvahenapätie U C = 464,71V.Ostáva ešte spomenúť, ako sa zmenia výkonové pomery v CHKZ ak do nehonainštalujeme takto navrhnutý rezonančný filter. Keby sme na sieť s napätím U n = 400Vpripojili pre kompenzáciu účinníka len kondenzátorovú batériu tvorenú trojicou dotrojuholníka zapojených kondenzátorov s kapacitou C K = 3 x 5,77µF, dodávala by do sietekapacitný jalový výkon Q K3f = 870,75 var ≈ 0,9 kvar. Ak do obvodu zaradíme aj sériovúindukčnosť, stúpne napätie na svorkách kondenzátora na U C = 465V , ale súčasne saspotrebuje časť jeho jalového výkonu na vytvorenie magnetického poľa v okolí filtračnejtlmivky.Spotrebovaný výkon bude úmerný druhej mocnine prúdu I L tečúceho cievkous induktívnou reaktanciou X L. Prúd v obvode pri zanedbaní jeho činného odporu určímez Ohmovho zákona nasledovne

UfUf23022IL= = == 1,1A a Q∆L = XL⋅ IL= 25,59 ⋅1,1= 30,96varX X + X 183,75 + 25,59celCYLDo vzťahov je dosadená efektívna hodnota napätia a veľkosti oboch reaktancií v absolútnejhodnote. Vypočítaný výkon sme stanovili len pre jednu fázu a celkový magnetizačnývýkon trojice filtračných tlmiviek bude teda Q ∆L = 3 · 30,96 = 92,89 var. Celkovýkompenzačný výkon zostavy kompenzačný kondenzátor – filtračná tlmivka bude potomQK= Q − QKC∆L= 1176,73 − 92,89 = 1083,84 var ≅ 1kvarAnalogický výpočet musíme urobiť pre všetky kompenzačné stupne. Vypočítanéparametre rezonančného filtra pre f r = 134 Hz sú uvedené v nasledujúcej tabuľke.č.st.Kondenzátorová batéria Filtračná tlmivka ZostavaQ Cn3f C CD U Cn U Cskut L F Q ∆L3f Q K3fcel(kvar) (µF) (V) (V) (mH) (var) (kvar)1. 1,5 3 x 5,77 525 465 81,45 92,89 12. 3 3 x 11,55 525 465 40,72 185,27 2,23. 4,5 3 x 17,32 525 465 27,14 278,01 3,34. 6 3 x 23,1 525 465 20,36 370,76 4,3Tab. 5.1 Vypočítané parametre chráneného kompenzačného zariadeniaZostrojený kompenzačný rozvádzač (NKZ) môžeme za použitia uvedenýchkomponentov prestavať na chránené kompenzačné zariadenie. Takáto rekonštrukciaobnáša výmenu kondenzátorových batérií a dodatočnú inštaláciu sériových filtračnýchtlmiviek. Tieto sa vyrábajú len pre kompenzačné stupne vyšších výkonov (od 12,5 kvar),preto musia byť vyrobené špeciálne pre túto aplikáciu. Okrem už spomenutých faktovposlúži predradená indukčnosť aj ako tlmiaci člen, ktorý obmedzí prúdové rázy prispínacích pochodoch.Prechodom prúdu cez tlmivku vznikajú na jej činnom odpore Joulove straty, tietonadobúdajú hodnotu asi 9 W / 1 kvar. Rovnako aj na zvode kondenzátora vznikajú činnéstraty, ktoré sú však minimálne a predstavujú hodnotu 0,5 W / 1 kvar.

5.3 Technicko-ekonomické aspekty výberu kompenzačného zariadeniaZa účelom väčšej názornosti som vykonal cenový prieskum kompenzačných zariadenídostupných na našom trhu. V tabuľke č. 5.3 sú uvedené orientačné ceny kompenzačnýchrozvádzačov tak, ako ich uvádzajú renomovaný výrobcovia na svojich www stránkach.Menovitý výkonkompenzačného zariadeniaZákladná cena bez DPHdruh kompenzačného zariadenia(kvar) nechránené chránené100 67 500 Sk 136 700 Sk200 123 000 Sk 179 700 Sk300 164 800 Sk 236 800 Sk400 222 200 Sk 287 800 SkTab. 5.3 Prehľad cien kompenzačných rozvádzačovRozvádzače chránených kompenzačných zariadení obsahujú zhodnú prístrojovú náplňako je to v prípade kompenzačných rozvádačov nechránených, navyše doplnenú o polefiltračných tlmiviek. Výkony kondenzátorových batérií so zodpovedajúcim napäťovýmdimenzovaním sú oproti aplikáciám v NKZ navýšené o jalový výkon odoberanýtlmivkami. Rozvádzače uvedených výkonov sú navyše vybavené ventilačnýmizariadeniami, ktoré zabezpečujú potrebný odvod stratového tepla. Ako hlavný istiaci prvokje použitý výkonný deiónový istič, ktorého cena predstavuje niekedy až 13% celkovej cenyrozvádzača.Ďalej je zaujímavé cenové porovnanie kondenzátorových batérií a trojfázovýchfiltračných tlmiviek pre jednotlivé kompenzačné výkony. Toto porovnanie znázorňujetabuľka č. 5.4

Kompenzačný výkonZákladná cena bez DPH(kvar) 3f kondenzátorová batéria 3f filtračná tlmivka6,25 1 936 Sk 5 550 Sk12,5 2 631 Sk 5 806 Sk20 3 100 Sk 7 000 Sk25 3 400 Sk 8 300 SkTab. 5.4 Ceny kondenzátorov a ochranných tlmiviekPre úplnnosť je vhodné uviesť, že nechránený kompenzačný rozvádzač, ktorý smezostrojili v rámci praktickej časti tejto diplomovej práce, predstavoval investíciu v hodnote24 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. Obstarávacienáklady pre chránené kompenzačné zariadenia sú oproti zariadeniam nechránenýmdvojnásobné. Súvisí to priamo s cenou filtračných tlmiviek, ktoré sú 3 až 5-krát drahšieako bežne používané kondenzátorové batérie. Kompenzačné kondenzátory na menoviténapätie 440V a 525V, ktoré sa v chránených zariadeniach vyskytujú najčastejšie, súv priemere o 20 % nákladnejšie ako bežné kondenzátorové batérie s menovitým napätím400V. Použitie ochranných indukčností je teda náležité len v kombinácii s kondenzárormivysokých výkonov, ktorých prípadné poškodenie by predstavovalo značné finančné straty.Táto skutočnosť predurčuje CHKZ hlavne na použitie v náročných priemyselnýchaplikáciách s vysokým rizikom prúdového preťažovania kompenzačných stupňov hlavneod harmonických vyšších rádov. Mieru rizika je možné spoľahlivo stanoviť len na základemerania obsahu harmonických zložiek tak, ako som to popísal v úvode tejto práce.Výsledkom merania by malo byť stanovenie celkovej efektívnej hodnoty prúdukondenzátorom a jej porovnanie s prípustnými hodnotami, ktoré sú dané normou a ktoré siurčujú aj samotní výrobcovia kompenzačných kondenzátorov.5.4 Normatívy platné pre oblasť kompenzácie účinníka

Nutnosť odoberať elektrickú energiu s minimálne neutrálnym účinníkom, tak ako hostanovuje STN 33 3080, je zakotvená v podmienkach pre pripojenie odberných miest dosiete ktoréhokoľvek distribučného podniku. Spomenutá norma nesie názov : „Kompenzácia induktívneho výkonu statickými kondenzátormi“ a je v platnosti už odmarca 1978, kedy bola vydaná ešte ako norma ČSN. Od 1.1.1993 platí aj na Slovensku akoprevzatá a nepreložená STN. Jej účelom je stanoviť zásady platné pri projektovanía používaní silových kondenzátorov pre hospodárnu kompenzáciu účinníka. Norma riešilen statickú kompenzáciu realizovanú stupňovitým spínaním kompenzačnýchkondenzátorov. V časti o názvosloví definuje pojmy ako „ statický kondenzátor“, „kondenzátorová batéria“ a uvádza členenie kompenzačných zariadení podľa jednotlivýchkritérií tak, ako sú uvedené v teoretickom úvode tejto práce.V norme je poukázané aj na možné preťažovanie kondenzátorov harmonickými zložkaminapätia vyšších rádov a je stanovená aj maximálna trvalá prúdová preťažiteľnosťkompenzačných kondenzátorov. Podrobnejšie riešia pripojenie a prevádzkukompenzačných kondenzátorov normy STN 35 8205 [12] „Kondenzátory pre silnoprúdovézariadenia“ a STN 35 8206 [13] „Paralelné kondenzátory pre kompenzáciu jalovéhovýkonu v sieťach do 100 Hz“. Uvedené normatívy poukazujú na nevýhody použitia takejtokompenzácie v súvislosti s výskytom rezonancií a pohlcovania signálu HDO, ako riešeniepredkladajú použitie sériovo radenej cievky ako dolnopriepustného filtra, ale bližšie sa tzv.chránenou kompenzáciou nezaoberá. Od 1.9.2001 je v platnosti prevzatá a doposiaľnepreložená technická norma STN EN 61 642 (35 8216), ktorá nesie názov : „Aplikáciefiltrov a paralelných kondenzátorov v sieťach ovplyvňovaných harmonickými napätiamivyšších rádov“. V časti o názvosloví sú definované pojmy ako : „harmonické zložkyvyšších rádov“, „charakteristické harmonické zložky vyšších rádov“ a „sériová a paralelnárezonancia“. Ďalej norma rieši aplikáciu tzv. ladených a neladených filtrov a zaoberá sa ajfrekvenčnými charakteristikami kondenzátorov, či sériových LC obvodov. Podrobnejšie jeproblematika popisovaná už len v platných európskych a celosvetových technickýchnormách.

ZáverPo dôkladnom preštudovaní predkladanej práce by mal čitateľ získať základnéznalosti o problematike kompenzácie ako takej a jej aplikácii v sieťach nízkeho napätia.Dôraz bol kladený na ozrejmenie teoretickej časti problematiky a na dokonalé pochopeniekľúčových pojmov, akými sú : jalový výkon, účinník a kompenzácia účinníka. Na základepriblížených skutočností je možné principiálne pochopiť a analyzovať prevádzkukompenzačných zariadení v praxi. Mnohým javom, na ktoré je poukázané v tejto práci, nieje venovaná pri návrhu a realizácii týchto zariadení dostatočná pozornosť, čo spôsobuje ichvyššiu poruchovosť a negatívny dopad na sieť. Nechránené kompenzačné zariadenia, takako sú tu popísané, sú v súčasnosti najbežnejšou formou vyhotovenia kompenzačnýchrozvádzačov. Praktická časť práce bola preto orientovaná na návrh a konštrukciu právetakéhoto zariadenia. V časti venovanej chráneným kompenzačným zariadeniam ponukámnávod, jako postupovať pri možnej prestavbe zhotoveného rozvádzača na kompenzačnézariadenie chránené. Pre úplnosť ponúkam aj cenový prieskum dostupnýchkompenzačných zariadení. Zo záverov tejto práce ale plynie, že pre zabezpečenie vyššejživotnosti a prevádzkovej spoľahlivosti je vhodné nahradiť NKZ kompenzačnýmizariadeniami chránenými, ktoré predstavujú technicky dokonalejšie riešenie.

Zoznam prílohPríloha č. 1: Cenník poplatkov za odoberanú elektrickú energiu pri odbere so zhoršenýmúčinníkomPríloha č. 2: Tabuľka dovolených hodnôt niektorých napäťových harmonických tak akoich stanovuje [7]Príloha č. 3: Schéma zapojenia kompenzačného rozvádzača zhotoveného vrámcipraktickej časti tejto diplomovej prácePríloha č.4: Schéma zapojenia obvodu pre merania na kompenzačnom rozvádzači počasseminárnych cvičeníPríloha 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 elektrizačnúsústavu, skriptá ŽU, Žilina, 1997[2] Altus,J.; Novák,M.; Otčenášová,A.; Pokorný,M.: Elektromagnetická kompatibilitaelektrizačných 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 elektrickejenergie, DP, KETE – EF, Žilina 2000[6] Kremničan, K.: Odborná spôsobilosť elektrotechnikov a podnikateľov, odbornápríručka, Práca, Bratislava 1997[7] STN EN 50160 Charakteristiky napätia elektrickej energie dodávanej z verejnejdistribučnej siete, technická norma, SÚTN, Bratislava 2002[8] STN EN 61642 Aplikácie filtrov a paralelných kondenzátorov v sieťachovplyvňovaných 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 sieťachdo 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 elektrickýchinštaláciách, 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. ŽilinaČestné prehláseniePrehlasujem, že som túto diplomovú prácu vypracoval samostatne s použitímuvedenej literatúry.V Žiline dňa 21.05.2007 ..................................................

Žilinská univerzita v ŽilineElektrotechnická fakultaKatedra výkonových elektrotechnických systémovDiplomová prácaPrílohová časť

2007 Adam PramukaPríloha č. 1: Prehľad sankčných poplatkov pri odbere s účinníkom (cosφ)nižším ako 0,95 (ind.) [5]rozsahtgφ(-)účinníkcosφ(-)zvýšenátarifa(%)rozsahtgφ(-)účinníkcosφ(-)zvýšenátarifa(%)0,311-0,346 0,95 - 1,008-1,034 0,70 37,590,347-0,379 0,94 1,12 1,035-1,063 0,69 39,660,380-0,410 0,93 2,26 1,064-1,092 0,68 41,800,411-0,440 0,92 3,43 1,093-1,123 0,67 43,990,441-0,470 0,91 4,63 1,124-1,153 0,66 46,250,471-0,498 0,90 5,58 1,154-1,185 0,65 48,580,499-0,526 0,89 7,10 1,186-1,216 0,64 50,990,527-0,533 0,88 8,37 1,217-1,249 0,63 53,470,554-0,580 0,87 9,68 1,250-1,281 0,62 56,030,581-0,606 0,86 11,02 1,282-1,316 0,61 58,670,607-0,632 0,85 12,38 1,317-1,350 0,60 61,400,633-0,659 0,84 13,79 1,351-1,386 0,59 64,230,660-0,685 0,83 15,22 1,387-1,423 0,58 67,150,686-0,710 0,82 16,69 1,424-1,460 0,57 70,180,711-0,736 0,81 18,19 1,461-1,494 0,56 73,310,737-0,763 0,80 19,74 1,495-1,532 0,55 76,560,764-0,789 0,79 21,32 1,533-1,579 0,54 79,920,790-0,815 0,78 22,94 1,580-1,620 0,53 83,420,816-0,841 0,77 24,61 1,621-1,663 0,52 87,050,842-0,868 0,76 26,32 1,664-1,709 0,51 90,820,869-0,895 0,75 28,07 1,710-1,755 0,50 94,74

0,896-0,922 0,74 29,87 nižší nižší 1000,923-0,949 0,73 31,72Tab. 1: Zvýšená tarifa za odber so zhoršeným účinníkom podľa rozhodnutia Úradu prenepárne harmonicképárne harmonickénie násobky trochnásobky trochrádharmonickejh (-)harmonickénapätieU h (%)rádharmonickejh (-)harmonickénapätieU h (%)rádharmonickejh (-)harmonickénapätieU h (%)5 6 3 5 2 27 5 9 1,5 4 111 3,5 15 0,5 6..24 0,513 3 21 0,517 219 1,5reguláciu sieťových odvetví zo dňa 30.09.2005Príloha č. 2: Prehľad dovolených hodnôt napäťových harmonických podľaSTN EN 50160 [7]

23 1,525Tab. 1: Úrovne jednotlivých harmonických napätí v predávajúcom mieste nízkonapäťovejsiete v percentách U n pre rády až do 25Príloha č. 3: Viacpólová schéma zapojenia zhotoveného kompenzačnéhorozvádzača NKZ (ProfiCad 4.6.1 freeware)

Príloha č. 4: Viacpólová schéma zapojenia obvodu pre meranie nakompenzačnom rozvádzači NKZ (ProfiCad 4.6.1 freeware)

Príloha č. 5: Príklad grafických výsledkov z merania na kompenzačnomrozvádzači NKZ (BK 500)Obr. 1: Grafický priebeh jalového výkonu základnej harmonickej Q vo fáze L1odoberaného zo siete v čase t pri pripojenom kompenzačnom zariadení

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