Physics | Energy » Villamos energetika

Villamos energetika I . rész Villamosmûvek Tanszék 2000 december 1. Általános kérdések, alapok 1.1 Energetika, villamos energia szerepe 1.11 Energia források A mindennapi életünket megkönnyítõ, a fizikai munkát mind nagyobb arányban kiváltó, az ipari termelés növekedését elõsegítõ energiafelhasználás biztosítása mind nagyobb feladatot jelent. Az elégtelen és drága energiaellátás következménye a fogyasztói korlátozás, az ipari termelés és a gazdaság növekedésének visszafogása, míg a túlfejlesztett energiaellátás éppen azon fejlesztésektõl vonja el az erõforrásokat, amelyek kielégítésére az energiaellátást fejlesztették, ugyanis a korszerû követelményeket is kielégítõ ellátórendszerek létesítése és üzemeltetése mind tõkeigényesebb. A fogyasztók az elvárásaiknak megfelelõ, ú.n hasznos energiát igénylik (meleg szoba, meleg víz, mechanikai munka, megvilágítás, hõigények, stb.), amelyet a

fogyasztóhoz bevitt, illetõleg vezetékes energiaellátás esetén a fogyasztó csatlakozási pontján átadott ú.n végsõ energia szerkezettel lehet biztosítani. A hasznos és a végsõ energia aránya, a fogyasztói helyi átalakító berendezések hatásfokától és a bevitt energiahordozó típustól függ. Ha a fogyasztó hasznos energiaigényét többféle végsõ energiával lehet kielégíteni, variábilis igényrõl, ellenkezõ esetben invariábilis energiaigényrõl beszélhetünk. Így pl adott mennyiségû és hõfokú meleg víz elõállításához szükséges, hasznos energiaigény többféle, és különbözõ nagyságú végsõ energiából - villamos energia, vezetékes gáz, PB, szén, fa, használati (táv) meleg víz - állítható elõ. Azt, hogy a hasznos energia igények elõállítását biztosító, alternatív energiahordozók közül villamos energia, gáz, tüzelõolaj, fûtõolaj, szén, tûzifa, stb. - a fogyasztó hogyan választ, gazdaságossági

szempontok (teljes költség!) illetõleg a hasznosság (utility) határozza meg. Az alternatív energiahordozók közötti választás sok esetben csak elméleti jelentõségû, amikor is a helyi adottságok a választást nem teszik lehetõvé. A fogyasztók végsõ energiaigényét tehát különbözõ, a természetben található alap vagy primer energiával (szén, gáz, olaj, nap, nukleáris, stb.) és/vagy átalakított (szekunder) energiával (villamos energia, gõz, benzin, gázolaj, fûtõolaj, stb.) illetõleg ezek legkülönbözõbb szerkezeti összetételével lehet kielégíteni (l-l. ábra) Az alap (primer) energiahordozókra, energiaforrásokra többféle felosztás készült. Ezek mindegyike bizonyos szempontokból önkényes. Egy ilyen, általánosságban használt felosztás a következõ: A.) Kimerülõ energiaforrások Szerves eredetû un. fosszilis tüzelõanyagok, (szén, kõolaj, földgáz, stb) Nukleáris energia meghasadás (fisszió) termonukleáris reakció

(fúzió). Geotermikus energia (termál víz, gõz, kõzetek hõtartalma). Fosszilis tüzelõanyagokon kívüli exoterm vegyi reakciókon alapuló tüzelõanyagok. B.) Megújuló energiaforrások Napenergia. Közvetlen napenergia hasznosítás: napsugárzás, fotoszintézis, közvetett: szélenergia, felszíni vízfolyamatok energiája, tengeráramlások energiája, trópusi óceánok hõgradiensének hasznosítása. 2 1-1. ábra Az energia szolgáltatás rendszerének blokkvázlata Biológiai folyamatok energiája. Izomerõ, biomasszában rejlõ energia különbözõ módon való hasznosítása. Égitest mozgások energiája. Ár-apály Az energiaszolgáltatás rendszere Az energiahordozók felhasználás elõtti kezelése során csak javítják azok fizikai-kémiai jellemzõit, pl. a kitermelt szenet mossák, osztályozzák, szárítják, aprítják, stb, míg az átalakítás célja, az átalakítás folyamatába bevitt energiahordozótól lényegesen eltérõ

fizikai-kémiai, tüzeléstechnikai tulajdonságokkal rendelkezõ új energiahordozó kihozatala (pl. kõolajból benzin, gázolaj, kerozin, fûtõ tüzelõolaj, szénbõl gõz, villamos energia, stb.) Az átalakítás lehet közvetlen (pl. szénbõl MHD generátorokkal villamos energia termelése) vagy közvetett (szénbõl gõz, gõzbõl mechanikai energia, ebbõl villamos energia elõállítása); illetõleg decentralizált, amely a végsõ fogyasztó közvetlen környezetében lévõ viszonylag kis teljesítményû átalakító (pl. a hõt, vagy a villamos energiát napenergiából), vagy pedig centralizált, amikor nagy kapacitású egységekben valósul meg az energia átalakítása, pl. erõmûvek (csak villamos energiát termelnek), fûtõerõmûvek (hõt és villamos energiát szolgáltatnak), fûtõmûvek (csak hõenergiát szolgáltató nagy termelõ egységek). A centralizált átalakító berendezésekbõl az átalakított, szekunder energiát nagy szállító, átvivõ

és elosztó rendszerek juttatják el a fogyasztókhoz. A fogyasztók végsõ energiaigényének egy részét fedezõ villamos energia helyi hasznosítása igen kedvezõ feltételekkel - jó hatásfok, jó szabályozhatóság, tisztaság - valósul meg. Ugyanakkor termelése, elõállítása nagy veszteséggel és számottevõ környezetszennyezéssel jár együtt. Az átalakítás folyamatába bevitt energiahordozó energiatartalmának ugyanis csupán mintegy harmada az átalakítás folyamatából kikerülõ villamos energia. Így a villamosenergia-termelés jelenleg az energetika egyik legnagyobb veszteségforrása. A villamosenergia-termeléshez kapcsolódó erõmûvi önfogyasztás és az átvitelhez, elosztáshoz kapcsolódó hálózati veszteség általában a bruttó villamos energia 15-20 % -a. Így mind a villamos energia felhasználásánál, mind pedig termelésénél, átvitelénél és elosztásánál a takarékosság és a gazdaságosság elveit a legmesszebbmenõkig

biztosítani kell. 1.12 A villamos energia sajátosságai, társadalmi szerepe Egy ország, vagy régió gazdasági potenciálja jól megítélhetõ az alap (primer), átalakított (szekunder), és a végsõ energia felhasználásra vonatkozó jellemzõk alapján. A villamos energiának a végsõ energiából való részesedésébõl a különbözõ szektorokban való felhasználási arányaiból következtetni lehet a technológiai fejlettségre és a lakosság, illetve háztartások komfort-szintjére. A primer, szekunder és hasznos energia arányait és a hasznos energiából a villamos energia részarányait Svájc esetére az 1-2. ábra szemlélteti Általában véve a villamos energia felhasználás részesedése a primer energiából az elmaradott régiókban 1-2 %, míg a fejlett országok energiamérlegében 15-30 % között van. 1985-ben a villamos energia részesedése az egész világra vonatkozóan kb. 29 %, Magyarországra vonatkozóan pedig 29,4 % volt. Ez jól mutatja

azt, hogy a villamos energia elõnyös tulajdonságai következtében - legalábbis egy adott fejlettségi szint eléréséig - egyre nagyobb területeket hódít el a többi energia fajtától. Ezek az elõnyök a következõk: 4 5 1. Az óriási egységekben (1000 MW nagyságrendjében) igen nagy gõznyomáson, nagy hõmérsékleten, többszöri túlhevítéssel, esetleg több közeggel, az erõmûvek hatásfoka egyre javul (mind a fosszilis energiahordozókkal mûködõ, mind az atomerõmûveké). 2. A villamos energia könnyen és igen jó hatásfokkal áttranszformálható és szállítható Például több ezer megawattos vízerõmûvek teljesítménye váltakozó- vagy egyenfeszültségen óriási távolságokon átvihetõ a bõvizû folyóktól mint termelési helytõl a fogyasztókig. 3. A villamos energia kitûnõen elosztható Ugyanarról a hálózatról néhány wattos és több megawattos fogyasztó egyidejûleg táplálható. 4. A villamos energia állandóan

rendelkezésre áll, és felhasználása kitûnõen automatizálható 5. Univerzális jellege miatt egyre több új technológia alkalmazását teszi lehetõvé 6. A villamos vontatás óriási teljesítmények felhasználását teszi lehetõvé, igen jó hatásfokkal és nagy üzemkihasználással. Ugyanakkor a föld alatt csak villamos vontatás képzelhetõ el 7. Várható, hogy egyre jobban elterjed a villamos akkumulátorral mûködõ autó, amely a villamos energia új felhasználási területe lesz. A lakosság komfort szintjét jól jellemzi az egy háztartásra jutó évi kWó villamos energia fogyasztás. A kiemelkedõ - de a norvég és svéd fogyasztónál kisebb értéket mutató - Svájc esetében ez a háztartásonkénti átlag fogyasztás 4620 kWó/év (1990-ben). Magyarországra az átlag valamivel 2000 kWó/év felett van a Budapesti Elektromos Mûvek fogyasztói területén kereken 2300 kWó/év. A villamos energia szerepét jól érzékeltetik az USA- ra vonatkozó

adatok. A világ népességének 6 %-át kitevõ USA-nak a villamosenergia-termelésben való részesedése a világtermelés 36 %-a. Az USA-nak a világ termelésébõl és szolgáltató szférájából való részesedése megközelítõleg 35 %. Az érem másik oldaláról is említést kell tenni Az USA jólétéhez jelentõsen hozzájáruló energia bõségének biztosítására a világ kimerülõ energiaforrásainak mintegy 1/3-át használja fel és a világ hulladékának a felét "termeli". Egy amerikai állampolgárhoz tartozó környezeti terhelés becsült értéke mintegy 50-szerese egy indiai állampolgárhoz tartozónak. Az egész világ energiafelhasználását tekintve megállapítható, hogy a fejlett ipari régióban élõ 30 % népesség az összes energia közel 80 %-át használja fel. Ennek változnia kell és a becslések szerint 2020-ban az össz-energiafelhasználásból a fejlett iparú régió 55 %-ban, míg a fejlõdõ országok 45 %-ban fognak

részesülni. Már a jelenlegi és méginkább a jövõbeli energetika fõ feladata az energiaigények kielégítése olyan módon, amely nem jár a kimerülõ energiaforrások gátlástalan felélésével, valamint a környezetnek az egész emberiség létét veszélyeztetõ terhelésével. 1.2 Történeti áttekintés A társadalom az anyagi javak termelésén alapszik, amelynek az alapja a társadalomban élõ ember termelõ tevékenysége. Az egyén és a társadalom szempontjából alapvetõ jelentõségû az, hogy a munka milyen termelékenységgel folyik. A termelékenység pedig alapjában véve azoktól a munkaeszközöktõl, szerszámoktól, technológiáktól függ, amelyeket az ember használ. A történelmi fejlõdés során az alkalmazott technika hatékonyságát alapvetõen meghatározta a rendelkezésre álló hajtóerõ színvonala. Elegendõ csak arra utalni, hogy a gyáripar kialakulását eredményezõ ipari forradalmat a gõzgép felfedezése tette lehetõvé. 6

1.21 Primer hajtó eszközök a) Természeti hajtóerõk Az emberiség elsõ energiaforrása - az állatokéhoz hasonlóan - az izomereje és a napsugárzás melegítõ hatása volt. Az elsõ energetikai felfedezésnek a tûzgyújtás tekinthetõ, ami mintegy 600.000 évvel (20000 generációval) ezelõtt történt A mechanikai erõforrást igen hosszú ideig a tartósan legfejlettebb 0,1 kW-ot adó emberi izomerõ és a 0,4 kW körüli teljesítményt szolgáltató ló vagy más igás állat jelentette. Az elõrelépést a hajtó eszközök alkalmazása jelentette,amelyek rendszerint forgó mozgást végeznek és a tengelyén nyomatékot, mechanikai teljesítményt, illetve munkát szolgáltatnak. A természet mozgási energiáját hasznosító hajtógépek a víz- és szélkerekek. A vízenergiát hasznosító elsõ primitív vízimalom Görögországban a Krisztus elõtti elsõ évszázadban mûködött. A vízkerekek egységteljesítménye lassan fejlõdött és a XVIII

században átlagosan 3,7 kW volt. A XIXszázad második harmadában felfedezett vízturbinák, így a reakciós vízturbina (Benoit Fourneyron, 1832) J.B Francis turbina 1849, Kaplan típusú axiális vízfolyású és Pelton vízsugár hajtású kereke az 1880-as években kiszorították a vízkerekeket, villamos energiát termelõ generátorokat hajtottak, és ezzel megszûntek a vízenergiával mûködõ közvetlen hajtógépek. A szélkerekek az egész földön a XVIII. és XIX században érik el legnagyobb fontosságukat A 7,5 kW-ra tehetõ átlagteljesítményû szélkerekek Európa iparosodott országaiban tízezres nagyságrendben üzemeltek, az USA 77 gyártója 1860-1900 között több millió szélkereket értékesített. A szélkerekek összteljesítményével közel megegyezõ szélenergia hasznosítást képeztek a vitorlás hajók. Az utóbbi idõben reneszánszát éli a szélenergia hasznosítása. Leggyakrabban a karcsú, magas oszlopon elhelyezett, a szélirányba

automatikusan beálló 2 vagy 3 szárnyú légcsavarral hajtott, vízszintes tengelyû 50-300 kW teljesítményû szélgenerátorokat alkalmazzák. b) Primer hajtógépek A természeti erõktõl független elsõ hajtógépet a gõzgép jelentette. A James Watt által szabadalmaztatott (1769) kondenzátoros gõzgép hatásfoka a XIX. század elsõ felében történõ fejlesztések eredményeképpen 2,5 %-ról 25 %-ra, maximális teljesítménye 100 kW-ról 3 MW-ra nõtt. A bárhol üzemeltethetõ, megbízható, hosszú élettartamú gõzgép a XIX század iparának uralkodó hajtógépévé és egyben fejlõdésének alapjává is vált. A Charles Parson által szabadalmaztatott gõzturbina (1884) rövidesen 75 kW-os generátort hajtott (Newcastle, 1888), a századfordulón már 1 MW-os egységek mûködtek. Az egységteljesítmény exponenciális növekedése - az I. világháborút követõ átmeneti megtorpanástól eltekintve - folytatódott és az 1970-es évek elején 1-1,5

GW-nál tetõzött. A korszerû 3000-3600 ford./perc-en járó 40-43 %-ot elérõ hatásfokú, több fokozatú gõzturbinák a mai hõ- és atomerõmûvek hajtógépei. A belsõ égésû motorok karrierje a XIX. század utolsó évtizedeiben indult (Otto motor 1878, Daimler-Benz motor 1885, karburátor 1893, Diesel motor 1892) és kifejlesztésükkel létrejött a gépjármûvek, fõképpen autók hajtógépe. A gázturbinák elsõ - katonai repülõgépek hajtására alkalmas - típusait az 1930-as években tervezték (az angol Whittle és a német von Ohain). 1958-tól kezdõdõen gázturbinákkal építik a vadászbombázókat és a transzkontinentális utasszállító repülõgépeket. Idõleges tetõpontot jelentett az 1970-es években a 100-as nagyságrendû "jumbo jets" (Boeing 747-es) repülõgépek 7 rendszerbe állása, amelyeket 20 kN-t meghaladó hajtóerejû 60 MW-ot elérõ teljesítményû gázturbinák hajtanak. Az 1940-es évektõl 1,5-15 MW-os

helyhezkötött gázturbinákat használnak fõképpen olaj és gázvezeték, valamint ammónia gyárak turbókompresszoros hajtására. Gyorsan indítható gázturbinákkal hajtják a szükség áramforrások 15 MW-ig terjedõ generátorait, valamint a csúcsidejû villamos energiát szolgáltató, általában 15-80 MW, esetenként 150 MW teljesítményû generátorokat. Ezeknél az alkalmazásoknál a gázturbinával 25-35 % közötti hatásfok érhetõ el A primer hajtóeszközöknek az 1700-as évek utáni idõszakban bekövetkezõ fejlõdését érzékelteti az egységteljesítmény növekedése és a fajlagos súly csökkenése. A legnagyobb hajtógépek egységteljesítménye (1-3. ábra) a XXszázad végén kb 200000-szer nagyobb, mint az 1700-as évek elején. Már a Newcomen féle légköri nyomásra expanálódó gõzgép egységteljesítménye 1730-ban meghaladta a vízkerék egységteljesítményét, 1905-ben pedig a gõzturbina elavulttá tette a dugattyús gõzgépet. A

hajtógépek egységteljesítményre vonatkoztatott fajlagos súlya (1-4. ábra) az elmúlt 300 év alatt közel 5 nagyságrenddel csökkent Az elsõ gõzgépek 650 g/W körüli fajlagos súlya nem volt jobb, mint az emberi vagy állati izomzat teljesítménye. Az Apolló 11 ûrhajót 1969-ben a Holdba vivõ Szaturnusz C5 rakéta fajlagos súlya mindössze 0,001 g/W volt. 1-3. ábra Primer hajtóeszközök egységteljesítményének alakulása 1700 és 2000 között Minden technológia gépegyüttese általában feltételezi:a munkagépet, amely magát a technológiai folyamatot végzi, a hajtógépet mint erõforrást és a kettõ közötti átviteli szerkezetet. Kis teljesítményû egyedi hajtógép esetén, a munkagép és a hajtógép egymás közvetlen közelében lehet és közöttük egyszerû átviteli szerkezettel (tengely, hajtószíj, fogaskerék) megvalósítható a kapcsolat. Például a vízkerék és az általa hajtott egyetlen malomkõ közös tengelyen lehetett, vagy

legfeljebb még egy kúpkerék közbeiktatására volt szükség. Bonyolultabb átviteli rendszer kell akkor, ha: a hajtógép és a munkagép közötti távolság valamilyen oknál fogva megnõ, vagy ha egy hajtógép több munkagépet hajt egyidejûleg és ezért az átviteli szerkezetet elosztó rendszerrel kell kiegészíteni. Az 1700-as évek elejétõl alkalmazták a "mechanikus távvezetéket", amely 8 például a vízkerék energiáját juttatta el a bányaaknák szivattyújához. Ez egy ácsolt fa-gerendapár, amely a vízkerék forgó mozgását forgattyús hajtómûvel átalakítva reverzáló mozgás formájában továbbította. A függõleges tengelyû kapcsoló kereszt vagy kerék útján a "távvezetékben" iránytörés vagy elágazás is létesíthetõ volt. Például a svédországi Ludvika közelében lévõ vasbánya-vidéken az 1710-es években egy 15 m átmérõjû vízkerék energiájának az átvitelére 750 m hosszú mechanikus

távvezeték létesült. (Ennek rekonstruált változata megtekinthetõ a Ludvikai Bányászati Múzeumban.) Érdemes megjegyezni, hogy ugyanitt létesült a világon az elsõ közcélú háromfázisú, 15 km hosszú távvezeték és alállomás (Hällsjön 1893). 1.4 ábra Primer hajtóeszközök fajlagos súlyának alakulása 1700 és 2000 között 1.22 Villamos energia A korszerû primer hajtógépek, mint a víz-, gõz- és gázturbinák csak nagy egységteljesítmény esetén mûködnek jó hatásfokkal és a gazdaságosság növelhetõ több egységbõl álló erõmûvi üzemnél. Ennek eredményeként az energiafejlesztés területileg sokkal jobban koncentrálódott, mint a felhasználás. Ezen túlmenõen az energiafejlesztés és -fogyasztás helye közötti távolságok is nõttek, különösen a vízenergia esetén, amely nem szállítható tengelyen vagy csõvezetéken. A hajtógép és a munkagép, illetve fogyasztó között olyan átvitel vált szükségessé, amely

mind a nagy távolságú átvitelt, mind pedig az elosztást lehetõvé teszi. Ezeket az igényeket a villamosenergia-átvitel tudja legjobban kielégíteni és lényegében ezért egyeduralkodóvá is vált. (Lokális energiaátvitelre és elosztásra hidraulikus és pneumatikus rendszereket is használnak.) A villamosenergia-átvitelt egy olyan rendszernek tekinthetjük, amelyben a turbina tengelyen szolgáltatott mechanikai teljesítményt a generátor villamos teljesítménnyé alakítja át, a villamos hálózat ezt mint "villamos tengely" továbbítja a fogyasztókhoz, amelyek azt vagy közvetlenül villamos energia formájában (például elektronikus eszközök, elektrokémiai technológiák), vagy mint átalakítók a villamosenergiát mechanikai (villamos motorok), hõ (villamos hõfejlesztõk), fény (villamos fényforrások) és esetleges egyéb más energiává átalakítva használják fel. A 9 villamosenergia-rendszerek történelmi kialakulása során

kezdetben a villamos hálózat az erõmû telep és a fogyasztó közötti egyetlen összeköttetésbõl állt. Az energiarendszerek kialakulásának menetét a fõbb események dátumszerû megadásával az alábbiak érzékeltetik: − nemzetközi vonatkozásban: 1824 - l887 Kirchhoff 1861 Dinamo elv feltalálása (Jedlik) 1866 Dinamo elv gyakorlatba vétele (Siemens) 1879 Szénszálas izzólámpa (Edison) 1882 Elsõ erõmû Londonban a Hobon Viaduct világításához 1882 Elsõ erõmû és közvilágítás New York pénzügyi negyedében 1883 Transzformátor (Bláthy, Déri, Zipernowsky) 1883 Többfázisú áram (Nikola Tesla) 1884 Váltakozóáramú 2 és 3 fázisú generátor (Ben Eschenbog) 1885 - l886 Transzformátoros váltakozó áramú rendszer (W.Stanley Massachusettsben) 1888 Londoni váltakozó áramú hálózat (de Ferranti) Kétfázisú aszinkron motor és szinkron motor (Tesla, Ferraris, Lamme) 1889 Fogyasztásmérõ (Bláthy) 1891 Kalickás

forgórészû aszinkron motor (Dobrowolski) 1893 Háromfázisú vezeték (Niagara-Buffalo) 43 km, 11 kV, 7,5 MVA, 25 Hz (Forles) Elsõ ipari célú, háromfázisú vezeték (Svédország, Grängesberg és Hellsjön között 12 km) 1900 - 1970 Különbözõ feszültségszintek kialakulása (Pl.USA-ban: 1907-ben 100 kV, 1913-ban 150 kV, 1923-ban 244 kV, 1953-ban 345 kV, 1965-ben 500 kV, 1968-ban 765 kV) 1954 Az elsõ nagyfeszültségû egyenáramú energiaátvitel (Svéd Gotland kábel, 100 kV, 20 MW, 96 km) 1984 - 1987 Itaipu - Sao Paulo egyenáramú átvitel (± 600 kV, 6300 MW, 800 km) − hazai vonatkozásban: • a közcélú villamosenergia-szolgáltatás megkezdése elõtti villamos világítások Budapesten 1878 Ganz Gyár szerelõcsarnokában ívlámpák 1879 Mûjégpályán 1882 Nemzeti Színházban (Astoriával szemben) 10 1884 Keleti pályaudvaron és környékén 1885 Budapesti Országos Kiállításon (elsõ váltakozó áramú) • közcélú

villamosenergia-ellátás 1884 Temesváron 1888 Mátészalkán (A Trianon utáni Magyarországon elõször) 1893 Budapesten (október 25-én) 1963 Aporliget (a faluvillamosítás befejezése) • erõmû létesítés fõbb eseményei 1914 Kelenföldi Erõmû üzembe helyezése 1952 - 1964 Kb. 100 MW-os szénerõmûvek (Borsod, Inota, Ajka, Pécs I) kiépítése 1969 - 1972 A 800 MW-os ligniterõmû (Visonta) kiépítése 1973 - 1976 A Dunamenti Hõerõmû II. (1290 MW) építése 1973 - 1974 Inotai gázturbinák (2x100 MW) létesítése 1982 - 1987 Paksi Atomerõmû (4x440 MW) kiépítése • nagyfeszültségû hálózat 1930 Bánhidai Erõmû - Budapest (Kõtér) 100 kV-os vezeték 1949 Országos Villamos Teherelosztó létrehozása 1952 - 1962 A 100 kV-os fõelosztó hálózat feszültségének 100 kV-ról 120 kV-ra emelése 1960 A 220 kV-os feszültségszint bevezetése (Zugló-Bisztricsány) 1968 A 400 kV-os feszültségszint bevezetése (Munkács-Göd) 1978 A

750 kV-os Vinyica-Albertirsa távvezeték üzembehelyezése Az együttmûködõ energiarendszerek létesítése az iparosodott országokban az 1910-es évek végén, a 20-as évek elején indult. Az 1900-as évek elejétõl az 1970-es évekig a villamos energia évi növekménye 7-10 % között volt és így átlagosan 10 évenként megduplázódott, az erõmûvek hatásfoka pedig az induló 5 %-ról 40 % fölé nõtt. Az 1980-as évek végére a legnagyobb transzformátorok teljesítménye 50-szeresre nõtt, fajlagos súlya egy nagyságrenddel csökkent, hatásfoka pedig 99 % fölé került. Kialakultak a kontinens méretû területekre kiterjedõ, jelentõs gazdasági elõnyöket és nagy üzembiztonságot eredményezõ együttmûködõ rendszerek. Ezeknek az elõnyöknek az érvényesülése azonban feltételezi azt, hogy az energiarendszerek tervezése, létesítése, fenntartása, és nem utolsó sorban irányítása megfelelõ eszközökkel és módszerekkel történik. A

villamos energetika a mûszaki alkotás és kutatás önálló tématerületévé vált Két nemzetközi viszonylatban kiépített átviteli rendszer van, amelynek az átviteli közege a villamosság. Az egyik a távközlõ rendszer, amelyet a következõ fõ követelményekre terveznek: információátviteli kapacitás, átviteli minõség, megbízhatóság. A másik a villamosenergia-átviteli rendszer, amelynél a fõ tervezési követelmények: teljesítmény-átviteli kapacitás, az átviteli minõség, megbízhatóság, gazdaságosság. Látható, hogy az alapvetõ különbség az elsõ követelményben van, bár a többi tartalma is sokban eltérhet. A távközlésnél szereplõ információ fogalom nehezen definiálható egyértelmûen. A villamosenergia-átvitelt jellemzõ teljesítmény 11 viszont jól definiált, IEC elõírásban rögzített fogalom. A következõkben röviden áttekintjük az egy- és a háromfázisú rendszerekkel kapcsolatos feszültség-, áram,

valamint a különösen fontos teljesítmény fogalmakat és a legfontosabb elektrotechnikai ismereteket. 1.31 Egyfázisú rendszer Az egyfázisú váltakozó áramú összeköttetés állandósult (kvázistacioner) állapotára és egy adott helyre vonatkoztatott viszonyait az l-5. ábra szerinti áram, feszültség és teljesítmény kisbetûvel jelölt idõfüggvényeivel, vagy komplex jellemzõket használva a felülhúzott nagybetûvel jelölt fazor-mennyiségekkel írhatjuk le. 1-5. ábra Egyfázisú rendszer jellemzõi egy adott helyen Az ω körfrekvenciájú szinuszos lefolyású áram és feszültség − idõfüggvénye (pillanatértéke) i(t ) = I m cos(ϖt + ϕ ) = 2 I cos(ωt + ϕ ) (1-1) u(t ) = U m cos(ωt ) = 2U cos(ωt ) − komplex pillanatértéke i = I m e j (ωt +ϕ ) ; (1-2) u = U m e j ( ωt ) (Ezeknek egy adott irányra - esetünkben a feszültséggel megegyezõ irányra - való vetülete megadja az idõfüggvényt.) − fazora, azaz komplex effektiv

értéke I = Ie fϕ = I∠ϕ (1-3) ahol Im és U m az áram- és feszültséghullám maximuma (amplitúdója) I és U az áram és feszültség effektív értéke ϕ = ϕi − ϕu az áramnak a feszültséghez képest mért fázisszöge (1-5b és 1-6a ábra) 12 Megjegyezzük, hogy általános esetben az áram fázishelyzetét ϕ i , a feszültségét ϕ u írja le. Ha referenciaként a feszültség fázishelyzetét választjuk, akkor az elõzõekben feltételezettek szerint ϕ u = 0 és ϕ i = ϕ . Az áram referencia (pozitív) iránya tetszõlegesen felvehetõ és nyíliránnyal jelölhetõ. Az áram pozitív, ha iránya megegyezik a pozitív iránnyal. Két pont közötti feszültség referencia (pozitív) iránya önkényesen választható és azt a kisebb potenciálúnak feltételezett referenciaponttól a nagyobb pont felé mutató nyílall, vagy a nagyobb potenciálú pontnál elhelyezett + jellel tüntettük fel (l-5. ábra) Egy feszültség akkor pozitív, ha a

neki megfelelõ térerõsségnek a pozitív irány szerinti vonalintegrálja pozitív. Gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy a pozitív (körüljárási) iránnyal megegyezõ polaritású forrás-feszültség (elektromotoros erõ), azaz feszültségemelkedés pozitív, a körüljárási iránnyal megegyezõ irányban folyó (pozitív) áram által okozott feszültségesés pedig negatív. 1-6. ábra Pozitív irányrendszer Példaként az 1-6. ábrán feltüntetett pozitív irányokkal felírható hurokegyenlet − a teljes hurokra U G − ZG I − Z M I − U M = 0 − a generátor (G) oldalra az UK feszültségig U G − ZG I − U K = 0 − a motor oldalra az UK kapocsfeszültségtõl UK − ZM I − U M = 0 Az egyfázisú rendszer egy adott helyén a villamos teljesítmény idõfüggvénye: p( t ) = u( t ) i( t ) (1-4) A feszültség és az áram idõfüggvényét az (1-1) összefüggésbõl behelyettesítve és megfelelõ trigonometriai átalakítás után a pillanatnyi

teljesítmény idõfüggvénye: p( t ) = UI cos ϕ (1 + cos 2ωt ) − UI sin ϕ sin 2ωt = P(1 + cos 2ωt ) + Q sin 2ωt (1-5) vagy további átrendezéssel más formában: p( t ) = UI cos ϕ + UI cos( 2ωt + ϕ ) = P + S ( 2ωt + ϕ ) 13 (1-6) 1-7. ábra A pillanatnyi teljesítménnyel kapcsolatos fizikai mennyiségek a) a feszültség, az áram és a fázisszög (ϕ > 0), b) az átlagértékû teljesítménytag, c) a lengõtag, d) az eredõ pillanatnyi teljesítmény 14 A pillanatnyi teljesítménnyel kapcsolatos idõfüggvényeket az 1-7. ábra szemlélteti Az (1-5) összefüggés elsõ tagja fejezi ki a pillanatnyi hatásos teljesítményt. Ennek a kétszeres frekvenciával változó teljesítménynek (1-7b ábra) az átlagértéke a hatásos teljesítmény: P = UI cosϕ (1-7) Az (1-5) összefüggés második tagja fejezi ki a pillanatnyi meddõteljesítményt. Ez is kétszeres frekvenciával leng, amplitúdója Q = UI sinϕ (1-8) meddõ teljesítmény,

amelynek az idõbeli átlaga nulla (1-7c ábra). Az (1-5) összefüggés szerint az eredõ pillanatnyi látszólagos teljesítmény a P hatásos teljesítménnyel eltolt középvonal körül kétszeres frekvenciával leng (1-7. ábra) és az amplitúdója az S = UI (1-9) látszólagos teljesítmény. A komplex teljesítmény a feszültség és az áram fazorral, pontosabban az áram fazor I * konjugáltjával a következõ összefüggéssel fejezhetõ ki: S = P + jQ = UI * = UI∠ϕu − ϕi = UI∠Φ = UI∠ − ϕ (1-10) − amelynek a valós része a hatásos teljesítmény P = Re( S ) = UI cos Φ = UI cos ϕ a képzetes része a meddõ teljesítmény Ezek megegyeznek az idõfüggvényekkel kapcsolatosan levezetett (1-7) és (1-8) kifejezésekkel. Az 1-8. ábra szemlélteti a tipikusnak tekinthetõ ohmos és induktív jelleg (motoros) fogyasztó komplex jellemzõinek fázisviszonyait. Látható, hogy az impedancia ψ szöge és XL reaktanciája pozitív, az áram ϕ szöge és

meddõ komponense negatív, a teljesítmény Φ szöge és meddõ komponense ismételten pozitív. A valós komponens mind a három jellemzõ esetén pozitív Megállapítható, hogy a tipikus, azaz ohmos és induktív jellegû (motoros) fogyasztó által felvett hatásos és meddõ teljesítmény is pozitív. Hasonlóképpen a tipikus fogyasztót tápláló generátornak is pozitív mind a hatásos, mind pedig a meddõ teljesítménye a generátoros pozitív irányrendszerben. A generátoros és fogyasztói pozitív irányrendszert együtt szemlélteti az 1-9 ábra. Az áram pozitív iránya mindkét elemnél megegyezik a feltételezett teljesítményáramlás (generátornál kifelé, fogyasztónál befelé) irányával. A két esetben az áram és a feszültség egymáshoz képesti relatív helyzete különbözõ. 15 1-8. ábra A tipikus ohmos és induktív fogyasztó (motor) komplex impedanciája, árama és teljesítménye 16 A teljesítmény elõjelek értelmezését

generátoros és fogyasztói pozitív irányrendszerben az 1-1. táblázat adja meg. Generátoros Fogyasztói hatásos meddõ hatásos meddõ + P termelés +Q kapacitív +P fogyasztás +Q induktív (betáplálás) (szolgáltatás) (felvétel) (nyelés) -P fogyasztás -Q induktív -P termelés -Q kapacitív (vételezés) (nyelés) (visszatáplálás) (szolgáltatás) 1-1 táblázat Teljesítmény elõjelek értelmezése generátoros és fogyasztói rendszerben Az alkalmazott irányrendszer lényege az, hogy egyrészt a tipikusnak tekinthetõ ohmos és induktív (motoros) fogyasztó által a fogyasztói irányrendszerben felvett hatásos és induktív meddõteljesítmény is pozitív, másrészt az ilyen fogyasztót ellátó generátornak a generátoros irányrendszerben szintén pozitív mind a termelt hatásos teljesítménye, mind pedig a kapacitív jellegû (túlgerjesztéses) meddõteljesítménye. Azt, hogy a teljesítmény értelmezéséhez használt

irányrendszer nem csak az összefüggések felírásához használatos valamiféle fikció jól érzékelteti az, hogy enélkül nem lehetséges a teljesítmény mérõ bekötése olyan módon, hogy annak kitérése (polaritása) és a teljesítmény áramlás iránya közötti kapcsolat egyértelmûen megoldható legyen. A teljesítmény mérõt [Wmérõt vagy var- mérõt (Volt-Amper-reaktív)] úgy kell bekötni, hogy a feltételezett teljesítmény áramlás irányába mutató áram az áramkapocs-pár jelölt kapcsánál lépjen be a mérõbe, a nagyobb potenciálúnak feltételezett (fázis) vezetõ pedig a feszültség kapocspár jelölt pontjához csatlakozzék. A teljesítmény mérõnek a fogyasztói pozitív irányrendszer szerinti bekötését az 110 ábra szemlélteti 1-9. ábra Motoros fogyasztó és azt tápláló generátor hatásos és meddõ teljesítményének elõjele 17 1-10. ábra Teljesítmény mérõ bekötése a fogyasztói iránynak megfelelõen Ennek

megfelelõen bekötött mérõ pozitív irányú (polaritású) mérése W-mérõ esetén hatásos teljesítmény felvételt (fogyasztást), var-mérõ esetén pedig induktív meddõ teljesítmény felvételt (meddõ nyelést) jelent. A negatív polaritás - értelemszerûen - teljesítmény visszatáplálást, illetve kapacitív meddõ felvételt (induktív meddõ szolgáltatást) jelent. A villamosenergia-rendszer alapesetére vonatkozó teljesítmény-viszonyokat az 1-11. ábra alapján érzékeltetjük. A generátor mint EG ideális feszültségforrás a vezeték Rv és Xv reaktanciáján fellépõ néhány százalékos feszültségesést követõen a fogyasztónál névleges körüli U feszültséget biztosít. A fogyasztásnak a hatásos teljesítményét leképezõ R ellenállásán és meddõ teljesítményét leképezõ X reaktanciáján az U feszültség hatására Iw wattos és Im meddõ áram jön létre: Iw = U ; R Im = U U =−j jX X A fogyasztó teljesítménye: U

* U *  UU UU * U 2 U2 S = P + jQ = UI = U  + j + j = + j = X R X R X  R * Tehát a fogyasztó feszültségkényszer alatt álló R ellenállásán és X reaktanciáján fellépõ hatásos és meddõ teljesítmény: P= U2 R és Q= U2 X (1-11) A reaktancia és ezzel a meddõ teljesítmény elõjele is pozitív induktív jellegû fogyasztó esetén és negatív kapacitív jellegû fogyasztó esetén. 18 1-11. ábra Generátor, vezeték és fogyasztó rendszer A vezeték soros impedanciáján a fogyasztó I árama hatására létrejövõ − feszültségesés: U v = ( Rv + jX v ) I − teljesítmény veszteség: S = Pv + jQv = U v I * = ( Rv + jX v ) II = Rv I 2 + jX v I 2 Tehát a vezeték áramkényszer alatt álló soros Rv ellenállásán és Xv reaktanciáján fellépõ hatásos és meddõ veszteség: Pv = Rv I 2 és Qv = X v I 2 (1-12) Megjegyzendõ, hogy az (1-12) összefüggés szerinti teljesítményeket a fogyasztói pozitív irányrendszer

szerint kell értelmezni, mivel U és I ennek felel meg (1-11b ábra). Ezért az általában induktív jellegû, pozitív elõjelû vezeték reaktancia induktív meddõ teljesítményt fogyaszt. A generátor által szolgáltatott S G = PG + jQG = EG I * (1-13) 19 teljesítmény és a fogyasztó, valamint a veszteség teljesítmények között az alábbi kapcsolatok írhatók fel: PG = P + Pv és QG = Q + Qv (1-14) Egy energiarendszernek mind a hatásos, mind pedig meddõ teljesítményére általában kimondható, hogy a fogyasztói- és veszteség teljesítmények összege egyenlõ a generátoros teljesítmények összegével. Ez a megállapítás természetszerûleg az 1-1 táblázat szerinti elõjeles teljesítményekre vonatkozik. 1.32 Szimmetrikus háromfázisú rendszer A villamos energia termelése, átvitele, elosztása és felhasználása szinte kizárólag váltakozó áramú, háromfázisú rendszerben történik. Ez alól csak a nagytávolságú,

nagyfeszültségû, egyenáramú átvitel és a kis teljesítményû egyedi fogyasztók képeznek kivételt. Különleges, nem háromfázisú nagy fogyasztót jelentenek a váltakozó áramú villamos nagyvasutak is. A háromfázisú rendszer mellett szól mindenekelõtt az, hogy a térben 120 fokos irányokban elhelyezkedõ, három tekercsbõl álló viszonylag egyszerû rendszerben - forgó mágneses mezõ hatására létrehozható az idõben 120 fokkal eltolt háromfázisú elektromotoros-erõ rendszer (szinkron generátor) - az idõben 120 fokkal eltolt fázisáramok forgó mágneses mezõt eredményeznek, ami az egyszerû (aszinkron) motor alapja. A háromfázisú rendszer elõnyei teljes mértékben akkor jelentkeznek, ha a rendszer szimmetrikus. Ilyen elõny az átvitelnél pl. az, hogy nem kell visszavezetés (negyedik ún nullavezetõ), illetve ha van visszavezetõ (földelt csillagpontú rendszereknél ennek tekinthetõ a föld is), abban nem folyik áram és ezért

veszteség sem keletkezik. További elõny az idõben (pillanatértékben is) állandó teljesítmény (lásd alábbi b) pontot). A fenti elõnyök kihasználására arra törekednek, hogy maga az energiarendszer és annak terhelése is gyakorlatilag szimmetrikus legyen. a) Feszültségek és áramok Az a, b, és c, fázisokból és a földbõl mint referenciából álló háromfázisú rendszernek egy adott helyre vonatkozó feszültség és áram jellemzõit az 1-12. ábra szemlélteti Megjegyezzük, hogy a fázisok azonosítására gyakran az R, S, T jelölést használják. A fázisfeszültségek definíciószerûen az egyes fázisok és a föld közötti feszültségek. Az a fázis kezdõ szögét nullának véve a fázisfeszültségek − idõfüggvényei: ua (t) = 2 Ua cos (ωt) = ub (t) = 2 Ub cos (ωt - 120) = 2 Uf cos (ωt - 120) uc (t) = 2 Uc cos (ωt + 120) = 2 Uf cos (ωt + 120) 2 Uf cos (ωt) (1-15) − fazorai: U a = U a ∠ 0° U b = U b / 120° = U f / −

120° U c = U c / 120° = U f / 120° Az (1-15) és (1-16) összefüggésekben feltételeztük azt, hogy a feszültségek szimmetrikusak, azaz az 1-12b. ábra szerint 20 1-12. ábra Szimmetrikus háromfázisú rendszer feszültség- és áramviszonyai 21 − effektív értékük egyenlõ Ua = Ub = Uc = Uf − a fázisok idõben az a, b és c sorrendben követik egymást. Az utóbbi követelmény teljesítése tulajdonképpen azt jelenti, hogy a feszültségrendszer nem csak szimmetrikus, hanem pozitív sorrendû is. A pozitív sorrendrõl a fazor ábra alapján úgy gyõzõdhetünk meg, hogy feltételezve a fazorok pozitív forgásirány szerinti forgását, azokat kívülrõl fígyelve a fázisok követési sorrendje: a - b - c. A fázissorrend a gyakorlatban azért fontos, mert ez határozza meg a háromfázisú rendszer által létrehozott forgó mezõ forgási irányát. Ez azt jelenti, hogy ha egy motor kapcsaira a jelölést (pl R, S, T) követõ pozitív sorrendben (a,

b, c) csatlakoztatjuk a hálózatot, akkor a motor a jelölt (pozitív) irányban fog forogni. Két fázis felcserélésekor, azaz negatív sorrend (a-c-b) szerinti táplálásnál a motor ellenkezõ irányban forog. Az egyes fázisvezetõkben folyó áramok- idõfüggvényei: ia (t) = 2 I cos (ωt + ϕ) ib (t) = 2 I cos (ωt - 120 + ϕ) ic (t) = 2 I cos (ωt + 120 +ϕ) (1-17) − fazorai: Ia = I f / ϕ ; I b = I f / ϕ − 120° I c = I f / ϕ + 120° (1-18) Az áramok elõzõek szerinti felírásakor felhasználtuk a feszültségek esetén ismertetett szimmetriafeltételeket, valamint feltételeztük azt is, hogy az áramoknak a feszültségekhez képesti fázisszöge ϕ (1-12c ábra). A háromfázisú rendszerben a fázisfeszültségeken kívül értelmezhetõk a vezetõk közötti ú.n vonali feszültségek fazorai (1-12d ábra): U ab = U a − U b = 3U a / 30° U bc = U b − U c = 3U b / 30° (1-19) U ca = U c − U a = 3U c / 30° ahol a második egyenlõségjelet

követõen már kihasználtuk azt, hogy a fázisfeszültségek szimmetrikusak (1-12d. ábra) Nyilvánvaló, hogy a vonali feszültségek fazorai is szimmetrikus pozitív sorrendû rendszert alkotnak. Az 1-12d ábrából kiolvasható az is, hogy a vonali feszültségek Uv effektív értéke közötti kapcsolat: Uv = 3 Uf (1-20) Egy delta (háromszög) kapcsolású fogyasztó Z impedanciái a vonali feszültségekre vannak kapcsolva (1-13. ábra) A delta ágakon folyó áramok és a vonali áramok közötti - az 1-12 ábrából megállapítható - kapcsolat: I a = I ca − I ab I b = I ab − I bc (1-21) I c = I bc − I ca 22 A szimmetrikus viszonyok alapján a vonali és a delta ágak áramainak effektív értékeire felírhatók: I a = Ib = Ic = I Iab = Ibc = Ica = I A delta ág árama és a vonali áram effektiv értéke közötti - az 1-13b. ábrából egyszerûen megállapítható - kapcsolat: I∆ = I 3 (1.22) A delta ág impedanciájára feliható, hogy Z∆ = 3U f

Uf Uv Uv = = =3 = 3ZY I∆ I I 3 I 3 azaz az egyenértékû csillag-impedancia háromszorosa. 1-13. ábra Delta (háromszög) kapcsolású fogyasztó A szimmetrikus háromfázisú rendszer feszültségeire és áramaira vonatkozó megállapítások az alábbiakban foglalhatók össze: 1. A három fázis áram-fazorainak vektoros összege nulla Ezért a szimmetrikus háromfázisú rendszer nem igényel visszavezetést, vagy ha van visszavezetés, akkor az árammentes. 23 2. A szimmetrikus rendszert képezõ három fázisfeszültség fazorainak vektoros összege nulla Ezért a csillagponti potenciál megegyezik a földpotenciállal. 3. A vonali feszültségek is szimmetrikus rendszert képeznek A vonali feszültség Uv effektív értéke a fázisfeszültség Uf effektív értékének 3 -szorosa. Fontos megjegyezni azt, hogy a hálózatok különbözõ feszültségszintjeit, valamint a villamos berendezések névleges feszültségét mindig a vonali feszültséggel adják meg.

Ezért a továbbiakban az index nélküli U a vonali feszültséget, azaz az U = 3 Uf értéket, jelenti. b) Teljesítmény összefüggések A háromfázisú teljesítmény idõfüggvényét az egyes fázisok teljesítmény-idõfüggvényeinek az összege adja meg a következõ összefüggés szerint: p3f(t) = ua(t)ia(t) + ub(t)ib(t) + uc(t)ic(t) (1-23) A szimmetrikus rendszerre vonatkozó (1.15) szerinti feszültség- és (117) szerinti áram idõfüggvényeket behelyettesítve, az 1.31pont szerinti egyfázisú teljesítmény-összefüggéseket az egyes fázisteljesítményekre alkalmazva az összegezés után a háromfázisú teljesítményre az alábbi eredmény adódik: p3f(t) = P3f = 3UfI cosϕ = 3P1f (1-24) Megállapítható, hogy a háromfázisú pillanatnyi teljesítmény az idõben állandó, nagysága pedig az egyfázisú P1f = UfI cosϕ hatásos teljesítménynek a háromszorosa. Az a tény, hogy a háromfázisú teljesítménynek nincs lengõ része, azt sugallja, hogy

a háromfázisú rendszerben nincs meddõ teljesítmény, vagy legalábbis a meddõ teljesítménynek nincs jelentõsége. A valódi helyzet azonban az, hogy a háromfázisú rendszer három egyfázisú hálózatnak az együttese, ezért az egyfázisú hálózatra leszármaztatott (1-5) összefüggés az egyes fázisokra külön-külön alkalmazható. Egy háromfázisú motor teljesítményét fázisonként wattos és meddõ mérõ kapcsolással mérve megállapítható az idõben 2-szeres frekvenciával változó hatásos teljesítmény és a lengõ jellegû meddõ teljesítmény. A mért hatásos teljesítményeket a motor az egyes fázisokból veszi fel. A légrés teljesítményben már a három fázis hatásos teljesítményének az eredõje jelenik meg. Ez motor esetén azt jelenti, hogy a három fázis által együtt létrehozott légrés teljesítmény idõben állandó, tehát a motor nyomatéka is állandó. A fázisonkénti meddõ teljesítmények az egyes fázisok

tekercseiben folyó áramhoz tartozó mágneses térben tárolt energiáknak felelnek meg. A szimmetrikus háromfázisú rendszernek az a különleges tulajdonsága, hogy minden pillanatban a felépülõ és lebomló terekkel kapcsolatos meddõ teljesítmény elõjelhelyes összege nulla. A fenti meggondolás szerint a háromfázisú meddõ teljesítmény az (1-8) összefüggés szerinti egyfázisú meddõ teljesítmény háromszorosa, azaz: Q3f = 3Qf = - 3Uf I sin ϕ (1-25) A háromfázisú hatásos és meddõ teljesítmény komponensekbõl képzett háromfázisú komplex látszólagos teljesítmény: S 3 f = P3f + jQ3f (1-26) Ennek abszolút értéke, a háromfázisú látszólagos teljesítmény: S3f = 3Sf = 3Uf I (1-27) 24 A fázisfeszültséget az Uf = U/ 3 - kifejezés felhasználásával a vonali feszültséggel helyettesítve, a háromfázisú teljesítmény összefüggések: − a látszólagos teljesítmény: S3f = 3 UI (1-28a) − a hatásos teljesítmény: P3f

= 3 U I cosϕ (1-28b) − a meddõ teljesítmény: Q3f = - 3 U I sinϕ (1-28c) 1-14.ábra Forgattyús tengelybõl és hidraulikus átvitelbõl álló analóg rendszer 25 Az egy- és háromfázisú hatásos és meddõ teljesítmények jól érzékeltethetõk az 1-14. ábra szerinti hidraulikus analógiák alapján. Az állandó szögsebességgel forgó generátor oldali forgattyús tengelyhez csatlakozó dugattyú szinuszosan változó sebességû oszcilláló mozgást végez. Ezt továbbítja a hidraulikus átvitel, majd a fogyasztói oldali dugattyú és forgattyús tengely egyenletes forgómozgást eredményez. Egyfázisú átvitelnél (1-14a. ábra) az átvitt hatásos teljesítmény a dugattyú sebességváltozása miatt kétszeres frekvenciával ingadozik. A folyadék - mint közvetítõ közeg - mozgási energiája is kétszeres frekvenciával leng. Ez az energialengés képviseli a nulla átlagú meddõ teljesítményt A háromfázisú, szimmetrikus, azaz 120 fokra

elékelt forgattyús tengelyû, azonos keresztmetszetû csövekkel üzemelõ, háromfázisú hidraulikus rendszer három egyfázisú átvitel együttesének tekinthetõ. Ilyen esetben a három csõben együttesen áramló folyadék minden pillanatban nulla Ezért a visszavezetõ csõ elhagyható (1-14b.ábra) Az egyes csövek átvitt hatásos teljesítménye most is idõben változó, azonban ezek eredõje a fogyasztói forgattyús tengelyen állandó teljesítményt eredményez. A meddõ teljesítményt jelentõ kinetikus energia az egyes csövekben az egyfázisú átvitelhez hasonlóan leng. A három csõ együttes kinetikus energia felvétele és hatása egymással egyenlõ, azaz eredõjük minden pillanatban nulla. 26 2. A VILLAMOSENERGIA-ÁTVITEL ALAPKÉRDÉSEI 2.1 A villamos hálózat felépítése, feszültségszintjei A villamos energiát nagy mennyiségben elõállító szinkron generátorok hajtógépei nagy teljesítményû egységekben mûködnek hatásosan. A ma

használt generátorok teljesítménye több 100 MW, de nem ritka az 1000 MW feletti egységteljesítmény sem. A segédüzemi létesítmények, például a hûtõvíz rendszer, jobb kihasználása és ezzel a költségek csökkentése érdekében több generátor egységbõl álló erõmûveket létesítenek. Az így létrejövõ több 1000 MW nagyságú erõmûvek a villamosenergia-termelésben nagyobb koncentráltságot jelentenek, mint a fogyasztás koncentráltsága. 2-1. ábra Villamosenergia-hálózat szerkezete 27 Az erõmûvek több ok (primer energia, mint szén, víz, vagy hûtõvíz rendelkezésre állása, környezeti szempontok) miatt nem telepíthetõk a fogyasztók közelébe. Ez szükségessé teszi a nagy teljesítményû villamosenergia-átvitelt. Gazdasági, környezeti és megbízhatósági okok azt kívánják, hogy a különbözõ erõmûvek hálózaton keresztül mûködjenek együtt. Az ilyen módon összegyûjtött energiát kell a fogyasztókhoz

eljuttatatni és elosztani. A leírt feltételeket kielégítõ villamosenergia-hálózat szerkezetét mutatja a 2-1. ábra A nagyfeszültségû alaphálózathoz csatlakoznak a nagy erõmûvek és az együttmûködõ energiarendszerek közötti - sokszor nemzetközi - összekötõ vezetékek, a rendszerszintû feszültségszabályozást végzõ meddõteljesítmény-források (sönt kondenzátorok és fojtók), valamint a nagy teljesítményû fogyasztók. Az alaphálózat mindig többszörösen hurkolt hálózat, amelynek az ú.n egyvonalas kapcsolását a 2-2 ábra szemlélteti a magyar feszültségszintek feltüntetésével. Az egyes hálózatelemek, vezetékek, transzformátorok, stb egymáshoz az alállomásokban gyüjtõsíneken, mint csomópontokon át csatlakoznak (2-3. ábra) 2-2. ábra Hurkolt alaphálózat Az alaphálózatból a fogyasztói táppontokhoz az energiaelosztás a nagyfeszültségû -magyar hálózaton 120 kV-os - fõelosztó hálózaton és a

középfeszültségû elosztó hálózaton történik. A magyar középfeszültségû hálózat nagy városok belterületén 10 kV-os kábelhálózat, külterületen, valamint a kisebb városokban 20 kV-os kábel és szabadvezeték, vidéken pedig 20 kV-os szabadvezeték hálózat. A nagy ipari fogyasztók önálló 120 kV-os vételezéssel és 6 kV-os elosztó 28 hálózattal rendelkeznek. Az egyedi - néhány kW-tól néhány 100 kW-ig terjedõ - kis fogyasztók ellátása a 0,4 kV-os kisfeszültségû hálózatról történik. 2-3. ábra Alállomási gyûjtõsín vázlata Az elosztó hálózatok legtöbbször a 2-4. ábra szerinti sugaras felépítésûek A sugaras hálózat esetén az egyes vezetékeken az energia mindig a tápponttól a fogyasztó felé áramlik, míg a hurkolt hálózat vezetékeire nincs kitüntetett áramlási irány. 2-4. ábra Sugaras hálózat Megjegyezzük, hogy az alap- és fõelosztó hálózat közötti határvonal nem teljesen éles. A hálózat

- a közúti hálózathoz hasonlóan - változik, az alaphálózati vezetékek a késõbbiekben fõelosztó hálózati szerepet tölthetnek be. A hálózati szerepkörökrõl és azokról a feszültségszintekrõl, amelyeken át a villamos energia a generátortól eljut a fogyasztóig a 2-5.ábra ad áttekintést 29 2-5. Ábra Hálózati szerepkörök és feszültségszintek A különbözõ feszültségszintû vezetékek átviteli képességének jellemzõit a 2-1. táblázat érzékelteti. Un I S lmax kV A MVA km 400 1000 1000 500 120 500 100 60 20 200 10 10 0.4 100 0.1 0.5 2-1. táblázat: Különbözõ feszültségszintû távvezetékek átviteli jellemzõi 2.2 Háromfázisú hálózatok számítása szimmetrikus összetevõkkel 2.21 A szimmetrikus összetevõk alkalmazásának alapja Egy szinuszosan váltakozó eme forrásfeszültséggel táplált áramkörben az áram a forrás szerinti alapharmonikus komponensen kívül általános esetben

tartalmazhat egyirányú (gyakran helytelenül egyenáramúnak mondott) és az alapharmonikus egészszámú többszöröseinek megfelelõ frekvenciájú ú.n felharmonikus összetevõket A fázisáram egyirányú összetevõje ki- vagy bekapcsolási jelenségek következménye és viszonylag gyorsan csillapodik. A felharmonikusokat a nemlineáris áramköri elemek (pl. mágneses telítõdés, áramirányító) okozzák, és általában a nagyobb frekvenciákhoz (növekvõ felharmonikus rendszámhoz) egyre kisebb amplitúdó tartozik. Háromfázisú áramkörben ez az a-b-c fázisra egyaránt elmondható. Az alap- és felharmonikus komponensek komplex fazorokkal írhatók le, mindegyik fázisra és mindegyik harmonikusra 30 külön-külön. Ezen fazorok amplitúdója (és fázisszöge) általában az idõben változó, az egyes frekvenciájú pillanatértékek burkológörbéje ezekkel leírható. A háromfázisú villamosenergia-hálózatokban az ipari frekvenciájú

alapharmonikus (50 Hz-es) áram és feszültség a domináns, ez a teljesítményátvitel meghatározója, ezért a gyakorlati esetek többségében csak az alapharmonikus viszonyokat vizsgáljuk. A háromfázisú alapharmonikus I a , I b és I c áramrendszer és U a , U b és U c feszültségrendszer általában nem teljesen szimmetrikus rendszer, mert a háromfázisú átviteli elemek (távvezetékek) geometriailag aszimmetrikus elrendezése és esetenként a fázisok közötti egyenlõtlen terhelés az áramokban (feszültségekben) is kismértékû aszimmetriát hoz létre. A csak egy vagy két fázist érintõ meghibásodások (zárlat vagy áramkör-megszakadás) jelentõs áram (feszültség) aszimmetriát okoznak a hibahelyen és annak környezetében. 2.211 Áramok és feszültségek szimmetrikus összetevõi Az I a , I b és I c fazorok csak háromféle módon képezhetnek szimmetrikus rendszert az a-b-c fázisokra vonatkozóan (2-6. ábra) 2-6. ábra A szimmetrikus

összetevõ fazorok szemléltetése 1) pozitív sorrendû áramrendszer: I a1 = I1 ; ahol I1 I b1 = a 2 I1 I c1 = aI1 a pozitív sorrendû áram (fazor) 31 a = e j120 ° szögforgató egységvektor (operátor) és ez a normál üzemi állapot uralkodó jellemzõje (pozitív sorrend: forgásirány szerinti a-b-c sorrend) 2) negatív sorrendû áramrendszer Ia 2 = I2 ; ahol I b2 = aI 2 Ic 2 = a 2 I2 a negatív sorrendû áram (fazor) I2 (negatív sorrend: forgásirány szerinti a-c-b sorrend) 3) zérus sorrendû áramrendszer Ia 0 = I0 ahol I b0 = I 0 I0 I c0 = I 0 a zérus sorrendû áram (fazor) (zérus sorrend: azonos fázishelyzet az a-b-c -ben) Az elõzõekbõl következik, hogy az I a , I b és I c áramok felbonthatók az elõbbi három - az a-b-c fázisokra már szimmetrikus - ú.n szimmetrikus összetevõre Ez a felbontás a definiált áramrendszerekbõl származtatható: − pozitív sorrend I1 = 1 ( I + aI b + a 2 I c ) 3 a − negatív sorrend I2 = 1

I a + a 2 I b + aI c ) ( 3 − zérus sorrend I0 = 1 ( I + Ib + Ic ) 3 a (2-1) A szimmetrikus összetevõkbõl a fázisáramok a fenti egyenletek a-b-c áramokra történõ megoldásából, illetve a definiált áramrendszerek szuperpozíciójából határozhatók meg: − a fázis I a = ( I 0 + I1 + I 2 ) − b fázis I b = ( I 0 + a 2 I1 + aI 2 ) − c fázis I c = ( I 0 + aI1 + a 2 I 2 ) (2-2) Látható, hogy valamely szimmetrikus összetevõjû sorrendben a fázisáramok effektív értéke azonos, a fazorok közötti fázisszög pedig az adott sorrendhez kötõdik, továbbá a sorrendi összetevõk meghatározásához az a fázist vettük kitüntetett szerepûnek (sorrendi referenciának). Az elmondottak értelemszerûen vonatkoznak a feszültségekre is. A pozitív (és negatív) sorrendû áramösszetevõ az a-b-c fázisokon belül záródik (1 + a + a2 = 0), külsõ visszavezetést nem vesz igénybe. Ezzel ellentétben az Io zérus sorrendû összetevõ csak külsõ

visszavezetés(ek) jelenléte esetén alakulhat ki és ez(ek)en együttesen 3I 0 = I a + I b + I c áram folyik. (A földvisszavezetésre jutó 3I 0 hányad - fizikai törvénybõl adódóan - a fázisvezetõk nyomvonalát követi.) 32 A negatív sorrendû áram a háromfázisú villamos gépek forgórészében káros túlmelegedést okozhat (a forgásiránnyal ellentétesen forgó mágneses mezõ az állórészben). A 3I 0 zérus sorrendû áram földben folyó részének mágneses tere az együtthaladó vezetékek és a föld által képezett hurokban eme-t indukál, a földelések környezetében pedig potenciálemelkedést okoz. Az Uo zérus sorrendû feszültség, mivel mindhárom fázis feszültségében azonosan megjelenik, az ezek különbségeként értelmezett vonali feszültségekbõl kiiktatódik, viszont a fázisfeszültségekbõl (fazorokból) képezhetõ háromszög súlypontjának azaz a csillagponti feszültségnek az áthelyezõdését eredményezi. Ez - a nem

hatásosan földelt rendszerekben (lásd 24fejezet) - a földpotenciálhoz viszonyított ú.n csillagpont eltolódást eredményez és jelentõs (alapharmonikus) túlfeszültségeket okozhat. Egy szimmetrikus háromfázisú átviteli és fogyasztói rendszerben csak pozitív sorrendû áramok és feszültségek vannak (pontosabban az a-b-c áramoknak és feszültségeknek csak pozitív sorrendû összetevõje van). A negatív és/vagy zérus sorrendû áram- ill feszültség- összetevõ jelenléte az ab-c áram ill feszültség aszimmetriájára utal, annak mértéke ezekbõl határozható meg Megjegyezzük, hogy a háromfázisú rendszer más jellegû három összetevõre is felbontható, de a zérus sorrendû összetevõ mindig szerepel. (Az összetevõkre bontás általános elméletével most nem foglalkozunk.) A háromfázisú villamosenergia-átvitel normál üzemi viszonyait az alapharmonikus pozitív sorrendû áramok és feszültségek, illetve a pozitív sorrendû

áramkörök - vagy áramköri elemi modellek - segítségével vizsgálhatjuk. 2.212 Egyfázisú sorrendi hálózatok a) Leszármaztatás Egy háromfázisú hálózatnak a szimmetrikus összetevõkre vonatkozó sorrendi hálózatokkal történõ leképezését a 2-7a. ábra szerinti távvezetékkel összekapcsolt generátor és fogyasztó rendszerén mutatjuk be. A rendszer háromfázisú áramköre a 2-7b ábrán látható Az a fázis és a föld által alkotott hurokra felírható feszültségegyenlet: [ ] [ ] Ea1G − jX G I a − ZaaV I a + ZabV I b + ZacV I c − Za F I a + Z n F ( I a + I b + I c ) = 0 (2-3) A b és c fázisokra ugyanilyen egyenletek írhatók fel az indexek értelemszerû megváltoztatásával. Az egyes tagok rendre: − Ea1G a generátor a fázisában mûködõ elektromotoros erõ (eme). Feltételezzük, hogy az a-b-c eme rendszer szimmetrikus pozitív sorrendû. − U a G a generátor kapocsfeszültsége, amely a generátor - szimmetrikusnak

feltételezett - XG reaktanciáján bekövetkezõ feszültségeséssel különbözik az eme-tõl: U a G = Ea G − jX G I a (2-4a) 33 2-7.ábra Helyettesítõ kapcsolások 34 − Va a vezeték soros impedanciáján az a fázis-föld hurokban fellépõ feszültségesés Va = U a G − U a F = Zaa V I a + ZabV I b + ZacV I c (2-4b) ahol Zaa az a fázis-föld hurok önimpedanicája, Zab és Zac rendre az a fázisnak a b és c fázisokhoz képesti föld-visszavezetéses kölcsönös impedanciái. − U a F a fogyasztó kapocsfeszültsége az a fázisban U a F = Za F I a + Z n F ( I a + I b + I c ) (2-4c) ahol Z a F a fogyasztó csillaghelyettesítésének az a fázis kapcsa és a csillagpont közötti impedanciája, Z n F pedig a csillagpont és a föld közötti impedancia. A hálózatelemeket szimmetrikusnak feltételezve, felírható: − a vezetékre bevezethetõ a fázis-föld hurkok önimpedanicája: Zö = Zaa V = ZbbV = ZccV (2-5a) és kölcsönös impedanciája Z k

V = ZabV = Zbc V = Z caV − a fogyasztóra pedig a csillagimpedancia Z y = Za F = Zb F = Zc F (2-5b) Ezzel a (2-4b. és c) összefüggések az alábbi egyszerûbb alakban írhatók: − a vezeték feszültségesése az a fázisban: Va = Z öV I a + Z k V ( I b + I c ) (2-6a) − a fogyasztó kapocsfeszültsége az a fázisban U a F = Z y F I a + Zn F ( I a + I b + I c ) (2-6b) Ezeket a (2-3) összefüggésbe helyettesítve, a szimmetrikus passzív hálózat a fázisára vonatkozó feszültség-egyenlet: [ ] [ ] Ea1G − jX G I a − ZöV I a + Z k V ( I b + I c ) − Z y F I a + Zn F ( I a + I b + I c ) = 0 (2-7) Ha a hálózat valamely pontjában elõálló aszimmetria (pl.aszimmetrikus zárlat) miatt, az áramrendszer aszimmetrikussá válik, akkor a teljes háromfázisú rendszer feszültségviszonyainak leírásához a (2-7) összefüggéseket a b és c fázisra is meg kell adni, ami - a passzív hálózatot továbbra is szimmetrikusnak feltételezve - a fázisindexek

értelemszerû felcserélésével megtehetõ. A háromfázisú rendszer aszimmetrikus áramokra vonatkozó megoldására az alábbi két lehetõség van: 1) magát a fázis-egyenletrendszert oldjuk meg, ami a mindhárom fázisra megadott (2-7) szerinti a fázisok közötti csatolásokat is tartalmazó - 3 komplex egyenletbõl áll, 2) a 2.21 pont szerinti szimmetrikus összetevõket felhasználva a három szimmetrikus összetevõ rendszert oldjuk meg úgy, hogy: a) a 3 aszimmetrikus áramot (és feszültséget) a 3 szimmetrikus összetevõjével adjuk meg, 35 b) a háromfázisú csatolt hálózatot a 3 szimmetrikus rendszerre vonatkozó egyfázisú sorrendi hálózattokkal helyettesítjük és az ezekre vonatkozó három, egymással nem csatolt, komplex egyenletet oldjuk meg, c) a megoldásként kapott szimmetrikus összetevõkbõl elõállítjuk a fázismennyiségeket. Az egyes szimmetrikus összetevõkre vonatkozó áramköri helyettesítõ kapcsolások a (2-6) és (27)

fázisegyenletekbõl származtathatók le úgy, hogy azokba az egyes szimmetrikus összetevõ áramok által képviselt fázisáramokat helyettesítjük és megállapítjuk az ezekkel szembeni impedanciákat. b) Pozitív (negatív) sorrendû hálózat A szimmetriából következõleg Ia + Ib + Ic = 0 A vezetékre vonatkozó összefüggéseket kapjuk: I b + I c = − I a = − I1 illetõleg (2-6a) összefüggésbõl (2-8) (2-8) fígyelembevételével az alábbi − a pozitív sorrendû feszültségesés Va = V1 = ( ZöV − Z k V ) I1 Z1V = (2-9a) V1 = ZöV − Z k V I1 (2-9b) Hasonlóan a fogyasztóra vonatkozó (2-6b) összefüggésbõl (2-8) fígyelembevételével: − a pozitív sorrendû kapocsfeszültség U a F = U 1 F = Z y F I1 (2-10a) − a pozitív sorrendû impedancia pedig Z1 F = U1 F = Zy F I1 (2-10b) Megállapítható az, hogy a pozitív sorrendû impedanciában Z n nem szerepel, ami azzal magyarázható, hogy (2-8) szerint nem folyik rajta áram, ezért

nagyságának, sõt alkalmazásának, illetve földelésének nincs jelentõsége. Belátható, hogy a távvezetéknek a (2-9b) összefüggés szerinti pozitív sorrendû impedanciájában sem szerepel a földvisszavezetés impedanciája, ( Z ö és Z k földre vonatkozó részei egymást kiejtik). A (2-4a), a (2-9) és a (2-10) szerint értelmezett pozitív sorrendû hálózatelemekkel a 2-7c. ábra szerinti pozitív sorrendû helyettesítõ vázlat adható meg. A negatív sorrendû hálózat (2-7d.ábra) topológiája megegyezik a pozitív sorrendûvel, de a generátor eme-jét rövidzár hidalja át, a forgógépek negatív sorrendû impedanciája pedig az armatúra szórási impedanciájával közel megegyezõ értékû, ami a pozitív sorrendû impedanciánál lényegesen kisebb (lásd a szinkron és aszinkron géppel foglalkozó fejezeteket). c) Zérus sorrendû hálózat A zérus sorrendû áramokra vonatkozó I a = I b = I c = I 0 feltételt behelyettesítve a (2-4a)-ba, a

vezetékre az alábbi összefüggéseket kapjuk: 36 − a zérus sorrendû feszültségesés Va = V0 = ( Z öV + 2 Z k V ) I 0 (2-11a) − a zérus sorrendû impedancia, definíciószerûen Z0V = V0 = Z öV + 2 Z k V I0 (2-11b) Hasonlóan a zérus sorrendû áramfeltételt behelyettesítve a (2-6b)-be, a fogyasztóra az alábbi összefüggéseket kapjuk: − a zérus sorrendû kapocsfeszültség ( ) U a F = U 0 F = Z y F + 3Zn I 0 (2-12a) − a zérus sorrendû impedancia pedig Z0 F U0F = = Z y F + 3Z n F I0 (2-12b) A (2-11) és (2-12) szerint értelmezett zérus sorrendû impedanciákkal a 2-7e. ábra szerinti zérus sorrendû helyettesítõ vázlat adódik. Látható, hogy a csillagpontban lévõ Z n F földelõ impedancia - azért, hogy I0 hatására 3Z n F I0 feszültségesés keletkezzék - 3Zn F értékkel szerepel. A zérus sorrendû hálózat a földet leképezõ f0 sín felé csak a földelt csillagponton át záródik. Ha a csillagpont földeletlen, akkor a

zérus sorrendû hálózatban nincs lekötés az f0 sínhez, amint ezt a generátor esetén a szaggatott vonal érzékelteti. A zérus sorrendû hálózat - a negatív sorrendûhöz hasonlóan - csak passzív elemeket tartalmaz, ezért ezek a szimmetrikus normál üzem esetén áram- és feszültségmentesek. Ha aszimmetrikus sönthiba (rövidzárlat), vagy soros hiba (szakadás) lép fel, akkor a sorrendi hálózatok a hibahelyi aszimmetria által meghatározott módon a hibahelyen összekapcsolódnak és ezzel a negatív és a zérus sorrendû hálózat is aktivizálódik. Például ha feltételezzük, hogy a generátor kapcsánál (2-7 ábrán a h pontban) az a fázis és a föld között földzárlat keletkezik, akkor a 2-6. ábrán megadott feltétel szerint a 2-7c, d, és e ábrák sorrendi hálózatait a h1-fo, ho-n2 és h2-n1 közötti kötésekkel sorba kell kapcsolni. A feszültségforrás ( E1 ) és a szimmetrikus összetevõkre vonatkozó impedanciák ismeretében

meghatározhatók az áramok és feszültségek szimmetrikus összetevõi. Ezek (2-2) szerinti visszatranszformálásával megkapjuk magukat a fázismennyiségeket. Sok esetben nem is a fázismennyiségek, hanem maguk a szimmetrikus összetevõk a kérdésesek, például az ú.n zérus sorrendû túláramvédelem beállításához a földzárlatok során fellépõ zérus sorrendû áramot kell csak ismerni. Fontos tudni azt, hogy az egyfázisú helyettesítõ hálózatokban: − az áramok - a fázisáramokkal megegyezõ - vonali áramok összetevõi, − az impedanciák a fázis impedanciák, − a feszültségesések ( ZI szorzatok) és a feszültségek a fázisfeszültségek összetevõi, − a teljesítmények az egyfázisú teljesítmények összetevõi, ezért az eredõ háromfázisú teljesítmény a szimmetrikus összetevõkbõl a következõ összefüggéssel adódik: 37 S 3 f = 3U1 I1* + 3U 2 I 2 + 3U 0 I 0 (2-13) Végül megemlítjük, hogy az elõzõekben az

egyfázisú helyettesítõ hálózatoknak csak a soros elemeivel foglalkoztunk. A dualitás elvének felhasználásával, hasonló módon adódnak az egyfázisú hálózatok Y U -val jellemzett söntáramait meghatározó admittanciák. 2.22 A hálózatelemek helyettesítése Az alábbiakban a legfontosabb hálózatelemek egyfázisú sorrendi helyettesítõ kapcsolásában szereplõ elemeknek a normál üzem szempontjából fontos kvázistacioner állapotra (50 Hz-re) vonatkozó pozitív sorrendû áramköri jellemzõinek meghatározásával foglalkozunk. 2.221 Távvezeték (szabadvezeték, kábel) paraméterei A távvezetékek túlnyomó többsége ú.n szabadvezeték, és csak a sûrûn lakott területeken belül alkalmazzák a lényegesen drágább kábeleket. A szabadvezetékek vezetõi csupasz alumínium vagy legtöbbször - a szilárdság növelése érdekében - acélmag köré sodrott ú.n alumínium-acél sodronyok. Ezeket porcelán, üveg vagy mûanyag szigetelõ

közbeiktatásával tartják nagyfeszültség esetén egymástól többszáz méter távolságra lévõ oszlopok. A vezetõ felületén kialakuló térerõsség csökkentésére és ezzel a sugárzás elkerülésére igen nagy feszültségû vezetékek esetén fázisonként több (általában 220 kV-on 2 db, 400 kV-on 3 db, extra nagy feszültségen 4-8 db) egymástól kb. 0,4 m-re lévõ vezetõkbõl álló ún köteges vezetõt alkalmaznak. Az egyes sodronyok keresztmetszete 250-500 mm2, így fázisonkénti 250-2000 mm2 keresztmetszetet feltételezve a soros ellenállás 0,12-0,015 Ohm/km között van. A távvezeték pozitív sorrendû L = 0,2 ln D/r* összefüggéssel számítható (mH/km-ben) soros induktivitása nõ a D átlagos fázistávolsággal és csökken az r* közepes geometriai (redukált) sugárral. A köteges vezetõ alkalmazása az induktivitást 20-30 %-kal csökkenti, mivel r* közel egyenlõ a kötegvezetõkre írható kör sugarával, ami lényegesen nagyobb, mint

a szokásos sodronyok redukált sugara. A távvezeték söntelemét a távvezeték 8-12 nF/km körüli kapacitása képviseli, mivel a g sönt levezetés (a szigetelõ szivárgási árama) gyakorlatilag elhanyagolható. A kapacitás az ln D/r* kifejezéssel fordítva arányos, ezért a kötegvezetõ alkalmazása a kapacitást növeli. Távvezeték hosszegységre vonatkozó elosztott paramétereit a z soros impedanciát (Ohm/km) és y söntadmittanciát (S/km) a 2-8a.ábra szemlélteti Ezekbõl az ún (az elõtanulmányokból ismert) hullámparaméterek az alábbi összefüggésekkel adódnak: − a Z 0 hullámimpedancia, Ohm-ban: Z0 = z = y r + jωL ≅ jωC L r  1 − j  C 2ωL  (2-14) − a γ terjedési állandó, illetve annak összetevõi, az α csillapítási tényezõ (1/km) és β fázistényezõ (rad/km): γ = α + jβ = r   zy ≅ jω LC 1 − j   2ωL  38 (2-15) Érdemes megfigyelni, hogy a veszteségmentes ú.n ideális

távvezetékre, amelyre a levezetés g = 0-án túlmenõen az r=0-át is feltételezzük, a hullámimpedancia Z0 = R0 = L C tiszta valós, ezért hullámellenállásnak nevezik, a terjedési állandó γ = jβ = jω LC tiszta képzetes. Jellegzetes feszültségszintû távvezetékek elosztott paramétereit és hullámparamétereit f = 50 Hzre a 2-2. táblázat szemlélteti Feszültség Vezeték Elosztott paraméterek Hullámparaméterek Un A D r x=ωL ωC Z0 ∠Z α β kV mm2 m Ω/km Ω/km µS/km Ω fok 10-3 1/km 10-3 rad/km 20 95 1.70 0.36 0.387 3.00 396 -24.9 0.501 1.077 120 250 5.75 0.117 0.404 2.81 379 -8.24 0.154 1.065 400 3x500 15.80 00195 0.3036 3.71 286 -1.84 0.0341 1.061 2-2.táblázat: Szabadvezetékek elosztott- és hullámparaméterei Látható, hogy a hullámimpedancia abszolút értéke a 20 és 120 kV-os vezetékek esetén közel azonos, a 400 kV-os vezetékeké mintegy 25-30 %-kal kisebb a köteges vezetõk miatt.

A távvezeték teljesítményátvivõ képességének fontos jellemzõje az U n2 / R0 természetes teljesítmény (4.12pont), amelyet a köteges vezetõ alkalmazása számottevõen, kb 1/3-al növel A nagyobb feszültségszintek felé haladva a távvezetékek Zo hullámimpedanciája egyre jobban megközelíti az ideális vezetéket jellemzõ Ro hullámellenállást, az α csillapítás pedig közel nulla lesz. A távvezeték, mint az S (Sending) és az R (Receiving) végei közötti négypólus - adott frekvenciájú állandósult átvitel szempontjából - pontosan leírható az ismert, hiperbolikus függvényekkel megadható A, B, C, D (D = A) négypólus láncparaméterekkel. Gyakorlati célokra a távvezeték az egyenértékû Π kapcsolással helyettesíthetõ, amelyet - a koncentrált elemû paraméterek számítási összefüggéseivel együtt - a 2-8. ábra ad meg A Π vázlat jól érzékelteti azt, hogy egy távvezeték az általa összekötött két alállomás között a

ZΠ -nek megfelelõ, ohmos és induktív jellegû impedancián át létesít kapcsolatot,valamint az alállomásokban az YΠU áramú "terhelést" jelent, ami YΠ kapacitív jellege révén lényegében kapacitív meddõ forrás. Veszteségmentes ideális vezeték esetén ZΠ = jX Π induktív reaktancia, YΠ = jBΠ kapacitív szuszceptancia. 39 2-8.ábra Távvezeték egyfázisú koncentrált paraméterû helyettesítése A villamosan rövid szabadvezeték esetén ZΠ gyakorlatilag a vezeték teljes zl soros impedanciájával egyenlõ, míg az YΠ , amely a vezeték fél hosszához tartozó yl / 2 admittancia, elhanyagolhatóvá válik és így a 2-8d. ábra szerinti kapcsolás alkalmazható A mennyiségi viszonyokat a 2-2. táblázatban szereplõ vezetékre a 2-3 táblázat szemlélteti, a vizsgált feszültségek esetén "szokásos" és viszonylag nagy vezeték hosszakra. Az adatokból 40 megállapítható, hogy középfeszültségû vezetékeknél a

rövid vezetékre vonatkozó soros impedanciával történõ helyettesítés mindig megfelelõ (2-8d. ábra), míg a nagyfeszültségû vezetékeknél kb. 150 km felett indokolt a láncparaméterek alapján adódó koncentrált elemû paraméterek alkalmazása (2-8b. vagy c ábra) Un l γl αl βl kV km 10-3 10-3rad 20 30 15.03 32.31 120 400 100 500 15.4 17.05 106.5 530.5 Soros impedancia shγl zl γl absz Ohm fok fok Ohm fok Sönt admittancia thγl/2 ωCl Y Π 2 γl/2 absz µS µS fok fok fok ZΠ 0.999 15.86 15.86 1.0 45 45 0.009 47.1 47.1 0.0 90 90 0.998 42.06 41.98 1.001 281 281 0.031 73.9 73.9 0.0 90 90 0.954 152.1 145.1 1.025 1855 1900 0.176 86.5 86.5 0.0 90 90 2-3.táblázat: Szabadvezetékek Π modelljének jellemzõi Kábelek esetén a fázistávolság és ezzel az ln(D/r) viszony is lényegesen kisebb, mint szabadvezetékeknél, ami a fajlagos soros reaktancia csökkenését és a kapacitás növekedését eredményezi. A

kapacitást tovább növeli a szigetelõanyag relatív permeabilitása (polietilénre 2,3 , telített papírra 3,5 ). A 25-500 mm2 között változó vezetõ-keresztmetszetek esetén a kábelek pozitív sorrendû fajlagos soros reaktanciája kb. 1/3-a (0,16-0,1 Ohm/km), a kapacitás pedig közel 100-szorosa (0,2-0,75 µF/km) a szabadvezetékekének. 2.222 Hálózati tápforrások paraméterei a) Generátor A villamosenergia-hálózatok tényleges tápforrásai a 9. fejezetben tárgyalt szinkron generátorok A generátor egyfázisú helyettesítõ áramköreinek paraméterei a kapocstábla (névleges) adatok alapján adhatók meg (2-9. ábra) 41 2-9. ábra Generátor pozitív sorrendû helyettesítése Az erõmûvi generátorok állandósult üzemre vonatkozó belsõ impedanciáját az Xd szinkron reaktancia képezi, amelyet az εd százalékos értékkel adnak meg. Az εd százalékos feszültségesés a generátor In névleges áramhoz tartozó feszültségesés alábbi

összefüggés szerinti értéke ε d = 100 X d In Un / 3 Ebbõl a helyettesítõ vázlatban szereplõ Xd szinkron reaktancia értéke Ohmban: εd U n U n εd U n2 Xd = = 100 3I n U n 100 S n (2-16) Ezzel a generátor állandósult üzemre vonatkozó pozitív sorrendû helyettesítése a 2-9.b/1 ábra szerinti. Up pólusfeszültséget a generátor gerjesztésével úgy állítják be, hogy a generátor névleges körüli kapocsfeszültség mellett a megkívánt meddõ teljesítményt adja le. Ha a terhelés üresjáráshoz közeli, akkor Up kb. a névleges feszültség, névleges körüli terhelésnél, mivel ed = 150-200 % körüli, Up a névleges feszültség 1,5-2-szerese. Hirtelen bekövetkezõ változások, így rövidzárlatok esetén a rotoron lévõ rövidrezárt csillapító és gerjesztõ tekercsek megakadályozzák a rotor fluxus hirtelen változását, ezért a szinkron gép úgy viselkedik, hogy − az 1-2 periódusig tartó szubtranziens állapotban a reaktanciája az

X d" szubtranziens reaktancia, eme-je az U" szubtranziens reaktancia mögötti feszültség, − a mp nagyságú tranziens állapotban a reaktanciája X d tranziens reaktancia, eme-je az U, tranziens reaktancia mögötti feszültség. 42 Hengeres pólusú szinkron gép átmeneti állapotokra is alkalmazható helyettesítõ kapcsolását a 29.b/2 ábra szemlélteti U" és U, - az U pólusfeszültséghez hasonlóan - a tranzienst megelõzõ p állandósult állapot árama és kapocsfeszültsége alapján számítható. A tranziens állapotra vonatkozó százalékos feszültségesések: ε d = 15-30 %, ε d" = 8-20 %, tehát lényegesen kisebb, mint a szinkron reaktanciához tartozó értékek. A szinkron generátorok negatív sorrendû reaktanciája a szubtranziens reaktanciával közel megegyezõ (2-3 %-kal nagyobb). b) Hálózati táppont Egy adott hálózati táppont - például nagy/középfeszültségû alállomás nagyfeszültségû gyüjtõsíne -

szempontjából az azt tápláló teljes "mögöttes hálózat" a Thevenin elv szerint egyetlen feszültségforrással helyettesíthetõ. A mögöttes hálózatot az Un névleges feszültsége és az Sz háromfázisú rövidzárlati teljesítménye jellemzi (2-10a.ábra) A rövidzárlati teljesítményt úgy értelmezhetjük, hogy Sz = √3 UnIz Az Iz rövidzárlati áramhoz 100 % feszültségesés tartozik, azaz értelemszerûen ε z = 100 %. Ezt fígyelembevéve (2-16)-ból, a hálózati táppont ZH mögöttes impedanciája ohmban: ZH = U n2 Sz (2-17) 2-10. ábra Hálózati táppont helyettesítése Ha a mögöttes hálózat RH/XH viszonya adott, akkor ZH ennek megfelelõen felosztható, egyébként a mögöttes hálózatot ZH-val megegyezõ reaktanciával helyettesítjük (2-10a. ábra) 43 Például, ha egy alállomás névleges feszültsége Un = 120 kV, rövidzárlati teljesítménye Sz = 1200 MVA, és R/X = 0,2, akkor ZH = 120 2 = 12ohm 1200 és = (R ) + ( X

) XH = ZH = 1176 . ohm 102 . Z H H 2 H 2 2 = X H  RH  . XH  H  + 1 = X H 0.2 2 + 1 = 102 X  azaz és R H = 0.2 X H = 235ohm A hálózatot helyettesítõ feszültségforrás feszültsége megegyezik a hálózat mértékadó U füH üzemi fázisfeszültségével. Egyes esetekben a mögöttes hálózatot ú.n végtelen hálózatnak tekinthetjük, és az U ∞fü üzemi fázisfeszültségnek megfelelõ ideális feszültségforrással helyettesítjük (2-10b. ábra) Nyilvánvaló, hogy a végtelen hálózatnak egy olyan csatlakozó elemen át nézve van létjogosultsága, amelynek az impedanciája sokkal nagyobb, mint a végtelennek feltételezett hálózat mögöttes impedanciája (lásd 2.223 pontban adott példát) A hálózat egy adott pontjára - általában gyüjtõsínre - vonatkozó mögöttes hálózat helyettesítése érdekében, tehát az adott pontra vonatkozóan ismerni kell Sz-t és U füH -t. Egy energiarendszer alaphálózata esetén ez egy

sok - esetenként több száz - csomópontú többszörösen hurkolt, több feszültségszintû hálózatra vonatkozó vizsgálat alapján történhet. A vizsgálat a nagyteljesítményû digitális számítógépek rendelkezésre állása elõtt a hurkolt hálózatot megfelelõ léptékben leképezõ ú.n hálózati kismintán történõ mérést jelentett Napjainkban a hálózattervezési vizsgálatok megfelelõ hálózatszámítási módszer és szoftver alkalmazásával, számítógéppel történnek. Ennek részletes ismertetése az anyag kereteit meghaladja, ezért megjegyezzük, hogy a hálózati analízis logikailag két fõ lépésbõl áll: − teljesítményáramlás és gyüjtõsín-feszültségek számítása − rövidzárlati áramok számítása A villamosenergia-rendszerekben a fogyasztói teljesítmény idõszakosan változik (lásd 4.2 pontot). Ehhez igazodva változik a hálózatra dolgozó turbina-generátor egységek száma, valamint a párhuzamos energiautakat

képezõ hálózatelemek, például párhuzamosan kapcsolt transzformátorok száma, azaz a hálózatkép. Ennek fígyelembevételére két hálózati állapotot szokás definiálni, nevezetesen a nagy terhelési állapotra vonatkozó ú.n maximális és a kis terhelési állapotra vonatkozó ú.n minimális hálózati állapotot Az egyes hálózati gyüjtõsínekhez hozzárendelhetõ egy maximális (Szmax) és egy minimális (Szmin) zárlati teljesítmény. Az Szmin gyüjtõsínenként más és más hálózati kapcsolási állapot eredményeként adódik. (Például valamely gyüjtõsínhez kapcsolódó vezetékek közül az egyik, vagy szélsõ esetben akár két vezeték is kikapcsolva.) A hálózat egy adott helyén a nagyobb rövidzárlati teljesítmény, illetve kisebb mögöttes impedancia merevebb csatlakozási pontot jelent. 44 2.223 Transzformátor paraméterei Az energiaátviteli transzformátorokkal részletesen a 6. fejezet foglalkozik A kéttekercselésû

energiaátviteli transzformátornak az adattábla adataiból (2-11a. ábra) meghatározhatjuk a 2-11b ábra szerinti egyszerûsített helyettesítõ kapcsolás paramétereit. Az egyszerûsített kapcsolás a mágnesezõ ágat elhanyagolja és a transzformátort a két tekercs együttes szórási impedanciájával, valamint komplex áttételt fígyelembevevõ ideális transzformátorral képezi le. A szórási impedancia ohmban a (2-16) összefüggés alapján számítható, a transzformátor nagyobb feszültségû (N) vagy kisebb feszültségû (K) oldalára (2-11b./1 és 2-11b/2 ábra) annak megfelelõen, hogy a transzformátor melyik oldali feszültségét vesszük fígyelembe, azaz ε (U n ) Z = 100 S n N 2 N ε (U n ) Z = 100 S n K 2 ill. (2-18) K Ha a transzformátor ohmos ellenállására vonatkozó εr is adott, akkor ezt helyettesítve ε helyébe a (2-18) kifejezésben a szórási impedancia ellenállás komponensét kapjuk. Megjegyezzük, hogy a viszonylagos

egységeket használva (lásd 2.23 pontot) a szórási impedancia függetlenné válik a feszültségszinttõl (2-11c. ábra), csak a transzformátor kapcsolási csoport szerinti szögforgatását kell figyelembevenni. Az energiaátviteli transzformátorok ε százalékos feszültségesése a nagy/nagy feszültségû (pl. 400/120 kV-os) és nagy/középfeszültségû (pl. 120/22 kV-os) transzformátorok esetén 8-12% és a szórási impedancia gyakorlatilag tiszta reaktanciának vehetõ, közép/kisfeszültségû (pl. 21/0,4 kV -os NA típusú) transzformátoroknál ε = 4,5-5,6 %, εr = 2,76-1,11 %, ahol az elsõ értékek kisebb teljesítményûekre (Sn=40 kVA), a második értékek nagyobb teljesítményûekre (Sn = 1600 kVA) vonatkoznak. Például egy NA 250 típusú U nK U nk = 21/0,4 kV-os, Sn = 250 kVA teljesítményû, ε = 4,5 %-os feszültségesésû (εr = 1,8 %) transzformátor (2-18) összefüggés szerinti szórási impedanciája Z 21 kV-on 0.4 kV-on Viszonylagos Ohm

Ohm egységben 79.38 0.0288 0.045 A relatív feszültségesés ε x = 4.52 − 18 . 2 = 412% . , az R/X = εr/εx = 0,44. 45 2-11. ábra Transzformátor paraméterei Az alaphálózatról induló - általában sugaras - fogyasztói hálózatok mentén a rövidzárlati teljesítmény a fogyasztó felé haladva csökken. Jellegzetes lépcsõs csökkenést okoznak a 46 transzformátorok. Egy transzformátor után a rövidzárlati teljesítmény kisebb, illetve végtelen hálózatról történõ táplálás esetén egyenlõ az ú.n saját rövidzárlati teljesítménnyel, amely Sz = Sn ε 100 Például a hazai gyakorlatban használt legnagyobb teljesítményû Sn = 40 MVA-es, 120/22 kV-os, kereken ε = 10%-os feszültségesésû transzformátor saját rövidzárlati teljesítménye: Sz = 40/0,1 = 400 MVA. Ha ez a transzformátor egy Sz120 = 1200 MVA rövidzárlati teljesítményû 120 kV-os gyûjtõsínhez csatlakozik, akkor a 22 kV-os oldalon a rövidzárlati

teljesítmény az alábbiak szerinti lesz. Számoljunk viszonylagos egységben, a transzformátor névleges jellemzõit használva alapoknak, azaz Sa = 40 MVA, a feszültségalapok Ua = 120 kV, illetve 22 kV. A tiszta reaktanciának tekintett impedanciák értéke a (2-26)-ból, az Ua = Un fígyelembevételével: transzformátorra: XT = 0,1 hálózatra: (εε = 100 %, S nH = Sz12o) XH = Sa/Sz = 40/1200 = 0,033 A 22 kV-os oldali rövidzárlat árama: I= 1 1 = = − j 7.52 ve H . + 0033) j( X + X ) j( 01 T A 22 kV-os oldali rövidzárlati teljesítmény: Sz,22 = 7.52 Sn =752 40 = 30075 MVA tehát kereken a saját rövidzárlati teljesítmény 75 %-a. 2.224 Fogyasztó paraméterei A fogyasztó névleges adataiból (2-12a. ábra) meghatározható − az (1-28a) alapján az I nF névleges árama I nF = S nF 3U nF (2-19) a (2-16) alapján, fígyelembevéve, hogy a fogyasztón a névleges áram hatására a feszültségesés ε = 100 %: Z nF = U nF 2 S nF (2-20) A fogyasztót

sorosan kapcsolt RSF és X SF elemekkel képezve le (2-12b. ábra) ezek értéke: RSR = ZnF cosϕ nF ; X SR = Z nF sinϕ nF (2-21) ahol ϕ nF a fogyasztó teljesítménytényezõjének szöge (induktív fogyasztó esetén pozitív). 47 2-12. Ábra Fogyasztó paraméterei A fogyasztót párhuzamosan kapcsolt RpF és X pF elemekkel képezve le, azok az alábbiak szerinti névleges hatásos és meddõ teljesítménybõl PnF = S nF cosϕ nF QnF = S nF sinϕnF és (2-22) a (2.20) összefüggés alapján adódnak: R F p (U ) = F 2 n F n P ; X F p (U ) = F 2 n F n (2-23) Q A fentiek szerinti modell feltételezi, hogy a fogyasztó impedanciatartó. A tényleges fogyasztók viselkedése ennél bonyolultabb, mivel a fogyasztó lehet áramtartó, teljesítménytartó és ezek kombinációja. A fogyasztók hatásos és meddõ teljesítményének feszültség és frekvencia függésével a 4.42 pont foglalkozik 2.23 Viszonylagos egységek alkalmazása A villamos gépeknél

bevezetett százalékos feszültségesés (drop) bevezetése azért történt, mert a mûszaki gyakorlat számára sokkal kifejezõbb az, hogy a névleges terhelés esetén a feszültségesés a névleges feszültség 4,5 %-a, mint ha például azt mondanánk,hogy 553 V. Ugyanis a V-ban kifejezett értéknél meg kellene mondani azt, hogy melyik feszültségszintre vonatkozik, fázis vagy vonali értékrõl van-e szó. Az Ohm, A, kV, MVA, vagy MW helyett a viszonylagos egységek (v.e) használatának az alábbi fõ elõnyei vannak: − a v.e-ben sokkal kifejezõbbek és összehasonlíthatóbbak az értékek, 48 − a v.e-ben megegyezik a fázis és a vonali feszültség, valamint az egy- és a háromfázisú teljesítmény (az eltérés az alapokban van fígyelembe véve), − a v.e-ben megadott értékek a transzformátor két oldalán, vagy bármely más - harmonizáltan megválasztott alaprendszer szerinti - feszültségszinten megegyeznek. A v.e lényegében a névleges

értékekre mint alaprendszerre vonatkoztatott rendszer általánosítása. A villamosenergia-rendszer vizsgálatakor alkalmazott alapmennyiségek: az Sa három- és az Sfa egyfázisú teljesítmény alap (Sa= 3Sfa), az Ua vonali és az Ufa fázisfeszültség alap (Ua = 3 Ufa), az Ia áram alap és a Za impedancia alap. Ezekbõl kettõ szabadon megválasztható, a másik kettõ - az Ohm-törvény és a teljesítmény kifejezés alapján - kiadódik. Általában a feszültség alapot valamely névleges feszültséggel megegyezõen, valamint a teljesítményalapot a vizsgálni kívánt teljesítményszintnek megfelelõen megválasztjuk és ezekbõl a másik két alapot az alábbiak szerint számítjuk: Ia = Sa [ A] 3U a és Za = U a2 [ohm] Sa (2-24) Az alapok ismeretében a viszonylagos egységek a dimenzionális értéknek az alappal való osztásával és viszont adódnak. Tehát pl az ohm-ban adott Z impedancia viszonylagos egységben: Z v .e S Z ohm = = Z ohm a2 Za Ua (2-25)

A százalékban megadott érték viszonylagos egységre (2-16) és (2-25) alapján a következõk szerint számítható át Zv .e ε U n2 S a = 100 U a2 S n (2-26) Látható, hogy amennyiben az alapmennyiségek megegyeznek a névleges értékkel, akkor ε /100 egyben a v.e-beli érték A transzformátorok a hálózatot különbözõ feszültség-körzetekre osztják. A teljesítményalap az összes körzetben azonos. A feszültségalapot az egyik körzetben - az elõzõek szerint megválaszthatjuk, a szomszédos körzetre pedig a határoló transzformátor névleges feszültségei arányában (a feszültség alapot a transzformátornak az adott körzet felõli névleges feszültségével osztva és a szomszédos körzet felõli névleges feszültséggel szorozva) kell átszámítani. A szomszédos körzetben Za és Ia a (2-24) szerint számítandó. Természetesen a dimenzionális mennyiségek és a v.e-ek közötti átszámítás minden körzetben az ott érvényes

alapmennyiségekkel történik. 2.3 Hálózatág feszültségesés és teljesítmény viszonyai A hálózat S és R pontjai közötti távvezeték feszültség és teljesítmény jellemzõit - általános esetre - a 2-13. ábra szemlélteti 49 2-13. ábra Távvezeték feszültség és teljesítmény jellemzõi Sugaras távvezeték esetében általában az a kérdés vetõdik fel, hogy adott teljesítmény, illetve áram esetén mekkora a feszültségesés, illetve mekkora az átvihetõ teljesítmény határa. Hurkolt hálózat vezetékága esetén a fõ kérdés a távvezetéken áramló teljesítmény és a végponti feszültségek közötti kapcsolat. Az átvihetõ teljesítményre a következõ három feltételbõl adódhat korlát: a melegedés, feszültségesés és stabilitás. A melegedés miatt I áramhatár általában a kisfeszültségû hálózatokra és a rövid kábelekre jellemzõ. A ∆U feszültségesés, mint teljesítmény-átviteli korlát, a kis- és fõleg a

középfeszültségû sugaras vezetékeknél lép fel. A stabilitás miatti teljesítménykorláttal az alaphálózati távvezetékek esetén kell számolni. 2.31 Feszültségesés alapösszefüggés Az elõzõekben tárgyaltak szerint a távvezeték, de ugyanígy a generátor és a transzformátor helyettesítõ áramkörében soros R és X szerepel (2-14a.ábra) Egy I ∠ϕ terhelõáram hatására létrejövõ komplex V feszültségesés (2-14b. ábra): V = U S − U R = ZI = ( R + jX )( I w + jI m ) = ( RI w − XI m ) + j( RI m + XI w ) (2-27) A feszültségesés komponensei: − a hosszirányú feszültségesés Vh =RIw-XIm (2-28) − a keresztirányú feszültségesés pedig Vk = RIm + XIw (2-29) A hosszirányú feszültségesés a feszültségek közötti δ = ∠US - ∠UR terhelési szöggel kifejezve: Vh = US cos δ - UR (2-30) A gyakorlatban elõforduló kis terhelési szögeknél jó közelítéssel Vh= US - UR = ∆ U 50 azaz a hosszirányú feszültségesés

közel egyenlõ a feszültség nagyságában bekövetkezõ, a fogyasztó által érzékelt feszültségeséssel. A keresztirányú feszültségesés a δ terhelési szöggel: Vk = US sin δ (2-31) azaz a keresztirányú feszültségesés sin δ-val, kis szögek esetén pedig magával δ-val arányos. 2-14. ábra Soros R és X elemeken fellépõ Vh és Vk Kis R/X viszonynál, ami mind a nagyfeszültségû távvezetékre, mind pedig a nagyteljesítményû generátorra és transzformátorra jellemzõ (2-28) és (2-29) az alábbiak szerint egyszerûsödik: Vh = - Xim és Vk = Xiw (2-32) azaz a feszültség nagyságát befolyásoló hosszanti feszültségesést a meddõ áram, illetve meddõ teljesítmény szállítás okozza a reaktancián, míg a terhelési szöget a wattos áram, illetve hatásos teljesítmény szállítás okozza szintén a reaktancián. 51 Fontos megjegyezni, hogy mivel a tipikus induktív jellegû meddõ teljesítmény esetén Im negatív, ezért a

hosszanti feszültségesésben szereplõ -X Im tag pozitív. 2.32 Teljesítményátvitel alapösszefüggése A veszteségmentes - soros X reaktanciával jellemzett - teljesítményátvitel esetére a 2-15. ábrán feltüntetett végponti feszültségekkel a teljesítmény az alábbiak szerint adható meg: 2-15. ábra Veszteségmentes teljesítményátvitel jellemzõi A végponti feszültségekkel az I áram az alábbiak szerint fejezhetõ ki: I= US − UR US − UR = Z jX Az áram konjugáltja (2-15b. ábra), ha : − a referencia az S oldali feszültség (US = US és UR = URe-jδ): *  U S − U R e − jδ  U S − U R e jδ U R sin δ U − U R cos δ I = = +j S  = jX − jX X X   * (2-33a) − a referencia az R oldali feszültség (US = USejδ és UR = UR): *  U e jδ − U R  U S e − jδ − U R U S sin δ U cos δ − U R I = S = = +j S  jX − jX X X   * 52 (2-33b) A teljesítmény az S végen az S végponti feszültséget

választva referenciának és ezért az I * -ot (2-33a.)-ból helyettesítve: SS = U S I * = U S (U S − U R cos δ ) U SU R sin δ + j X X azaz a hatásos teljesítmény: P= U SU R sinδ X (2-34) az S oldali meddõ teljesítmény: QS = U S (U S − U R cosδ ) X (2-35a) A teljesítmény az R végen, az R végponti feszültséget választva referenciának és ezért a (2-33b) szerinti I * -at használva: SR = U RI * = U R (U S cos δ − U R ) U SU R sin δ + j X X azaz a hatásos teljesítmény - a veszteségmentes esetnek megfelelõen az R végen is a (2-34) összefüggés szerinti, az R oldali meddõ teljesítmény pedig: QR = U R (U S cosδ − U R ) X (2-35b) Egyszerûen belátható, hogy a meddõ teljesítmények különbsége QS − QR (U = − UR) V2 = = XI 2 X X 2 S ami az X reaktancia meddõ teljesítmény nyelése. A P hatásos teljesítményre vonatkozó (2-34) összefüggésbõl világosan látszik, hogy az átvitt teljesítménnyel a δ terhelési szög

nõ, δ = 90o -nál maximuma van és stabilis munkapont δ < 90o tartományban van (2-15c. ábra) A statikus szinkron stabilitás kérdésével a 442 pont foglalkozik. A (2-35) kifejezések számlálójában lévõ zárójeles kifejezések azt mutatják, hogy a meddõ teljesítmény nagyságát és irányát alapjában véve a végponti feszültségek közötti különbség szabja meg (δ = 0, azaz ha P = 0, akkor mindkét végre vonatkozó kifejezésben US - UR szerepel). Lényegében a nagyobb feszültségû végtõl a kisebb feszültségû felé áramlik az induktiv jellegû meddõ teljesítmény. Példaként vizsgáljuk meg, viszonylagos egységeket használva, a 2-16a. ábra szerinti távvezeték meddõteljesítmény viszonyait állandó P=1 v.e hatásos teljesítmény-átvitel mellett, a 2-16b ábrán feltüntetett sínfeszültség változatokra. 53 2-16. ábra Távvezeték végponti feszültségei és a meddõ teljesítmény közötti kapcsolat Az 1.esetben: − a

(2-34) alapján a hatásos teljesítmény kifejezése: 1= 1 ⋅1 sin δ δ = 1178 . ° 0.2041 − a (2-35) a és b alapján a meddõ teljesítmények: QS = 1(1 − 1cos1178 . °) = 0103 . v e 0.2041 (10.3 MVAr) QR = 1(1cos11.78°−1) = −0103 . v e 0.2041 (-10.3 MVAr) ami azt jelenti, hogy a távvezeték meddõ teljesítmény nyelését (0,206 v.e, 20,3 MVAr) a két végponti alállomás fele-fele arányban szolgáltatja. A 2.esetben: 54 − a hatásos teljesítmény összefüggésbõl: 1= 1,2 ⋅1,0 sin δ δ = 9.79 ° 0.2041 − a meddõ teljesítmények: QS = 1,2(1,2 − 1cos 9.79°) = 1,262 v. e 0.2041 (126.2 MVAr) QR = 1(1,2 cos 9.79°−1) = 0,894 v. e 0.2041 (89.4 MVAr) azaz a meddõ teljesítmény az S végtõl az R felé áramlik. A 3. esetben: − δ ugyanakkora mint a 2.esetben és QS = - 0,894 ve, QR = - 1,262 ve azaz a meddõ teljesítmény az R végtõl az S felé áramlik. 2.4 Csillagpont földelés 2.41 Csillagpont földelési módok A

csillagpont földelési módok tárgyalása kapcsán célszerû megkülönböztetni a csillagponti potenciált és a fizikailag kialakított csillagpontot. A csillagponti potenciál a hálózat bármely helyén értelmezhetõ úgy, mint a fázisfeszültség-fazorok végpontjai által meghatározott háromszög (delta) villamos súlypontjának a potenciálja. Ha az adott helyen a hálózathoz egy szimmetrikus impedancia csillagot (pl. 3 csillagba kapcsolt ellenállást) csatlakoztatunk, akkor ennek csillagpontja és a föld között a csillagponti potenciál mérhetõvé válik. Ez egyébként megegyezik az adott helyre vonatkozó zérus sorrendû feszültség értékével. A csillagponttal rendelkezõ hálózati elemek - mint például a transzformátorok csillag vagy zegzug tekercseléseolyan fizikailag megvalósított csillagpontok, amelyek lehetõséget adnak a csillagpont közvetlen vagy impedancián át történõ földelésére. A generátorok szimmetrikus pozitív sorrendû

feszültségrendszert hoznak létre. A csillagponti potenciál a hálózat és a föld közötti kapcsolattól függ. A csillagpontok földelésével a csillagponti potenciál a földpotenciálon vagy annak közelében rögzíthetõ. Olyan hálózaton, amelyen nem földelünk csillagpontot, a csillagponti potenciált a fázisok és a föld közötti - elsõsorban a távvezetékek által képviselt - kapacitások szabják meg. Mivel a földkapacitások gyakorlatilag szimmetrikusak, ezért a hálózat fázisfeszültség-rendszere is a földhöz képest szimmetrikusan áll be, ami azt jelenti, hogy a csillagponti feszültség elvben nulla, gyakorlatilag a névleges feszültség egy-két százaléka. Ezt a természetes földszimmetriát azonban felbonthatja a hálózatban elõálló durva asszimetria, mint pl. a egyik fázis és a föld közötti zárlat Ez a hatás kiterjed a fémesen összefüggõ teljes hálózatrészre. A transzformátorok a hálózatrészek közötti fémes

kapcsolatot megszüntetik (kivéve a földelt csillag/földelt csillag és autotranszformátorokat.) Ezért a transzformátorok nem csak feszültségszint, hanem csillagpont földelés szempontjából is körzetekre osztják a hálózatot.(2-17 ábra ) Az alaphálózati erõmûvek generátor egységei az általános gyakorlat szerint földeletlen csillagkapcsolásúak és a blokktranszformátor delta tekercseléséhez csatlakoznak. 55 Ezzel a generátor oldal földpotenciál szempontjából függetlenné válik a nagyfeszültségû - a 2-17. ábrán 120 és 400 kV-os - alaphálózat földpotenciál viszonyaitól. 2-17. ábra Csillagpont földelés különbözõ feszültségszintû hálózatok esetén Az alaphálózatok transzformátorainak nagyfeszültségû csillagba kapcsolt tekercselésének csillagpontja általában közvetlenül földelt. A nagy/középfeszültségû transzformátorok középfeszültségû oldalon delta, vagy szigetelt csillagkapcsolású tekercsei

földpotenciál szempontjából függetlenítik a középfeszültségû hálózatot és lehetõvé teszik ennek az alaphálózattól eltérõ csillagpont kezelését. A nemzetközi gyakorlat a 110 kV-ig terjedõ középfeszültségû hálózat csillagpont földelésben nem egységes. Ezen a feszültségszinten minden változatot, így − szigetelt − hangolt induktivitással (Petersen tekerccsel) földelt − impedancián földelt − hatásosan földelt csillagpontú hálózatot alkalmaznak. 56 A 0,4 kV-os kisfeszültségû hálózatok csillagpontja minden esetben közvetlenül földelt, sõt a csillagpontból induló nullavezetõ több pontban is földelt. A földelés és a nullázás célja definitív potenciálviszony biztosítása, ami érintésvédelem szempontjából fontos. 2.42 Különbözõ földelésû hálózatok sajátosságai Csillagpont földelés szempontjából a hálózatokat az alábbiakban két fõ kategóriába sorolva vizsgáljuk. a.) Nem hatásosan

földelt csillagpontú hálózatok Nem hatásosan földeltek azok a hálózatok, amelyeknél a csillagpontba iktatott földelõ impedancia lényegesen nagyobb, mint a transzformátor szórási impedanciájának és a leghosszabb vezeték zérus sorrendû impedanciájának összege. Ebbõl az következik, hogy a hálózat bármely pontjában fellépõ földzárlat esetén gyakorlatilag a teljes zérus sorrendû feszültség a földelõ impedancián jelenik meg. Ebbe a kategóriába tartozik mindenekelött a szigetelt csillagpontú hálózat (2-18a. és b ábra) Ha egy ilyen hálózaton az a fázisban földzárlat lép fel, akkor az eredetileg földszimmetrikus feszültség csillag (2-19a/1 ábra) eltolódik U 0 = − Ea1 feszültséggel annak megfelelõen, hogy az a földpotenciálra kerül (2-19a/2. ábra) A vezetõk közötti vonali feszültségek nem változnak, ( ) viszont a zárlatos fázis feszültsége nulla lesz U af = 0 az ép b és c fázisok a vonali feszültségnek ( )

megfelelõ potenciálra U bf = U cf = U v = 3U f emelkednek. Az ép fázisok feszültségei a Co földkapacitáson I bf és I cf kapacitív földzárlati áramokat hoznak létre (2-19b. ábra), amelyek a transzformátoron át a hibahelyen záródnak (2-18b ábra) A kapacitív földzárlati áramok nagysága: I C = 3U vωC0 = 3U f ωC0 = 3 Uf XC0 Ic nagysága a fémesen összefüggõ hálózat eredõ földkapacitásától függ. A földzárlat fellépésnek pillanatában, az ugrásszerû feszültségváltozás miatt a földkapacitások töltésének át kell rendezõdni. Ez a fázis-induktivitásokon át tranziens folyamat útján történik, amely az ép fázisokban tranziens túlfeszültségeket eredményez. A földzárlati ív kialvása és periódusonkénti visszagyújtása, azaz az ú.n ívelõ földzárlat hatására az ép fázis feszültsége a névleges többszörösére emelkedhet (2-20 ábra). Tapasztalat szerint az ívelõ földzárlat veszélye a földkapacitás egy adott

értéke felett jön létre, ezért szigetelt csillagponttal csak kis kiterjedésû 6 kV-os ipartelepi hálózatok üzemelhetnek. 57 2-18. ábra Szigetelt csillagpontú és kompenzált hálózat földzárlatos állapota A kompenzált csillagpont földelés esetén azaz a csillagpont és a föld közé beiktatott induktivitás (Petersen tekercs) alkalmazásakor a hibahelyen át záródó I L = 3I L 0 = Uf ωL f = Uf (2-37) X + X tr 3 P nagyságú induktív jellegû áram jön létre (2-18c ábra). A IL azonos nagyságúvá tehetõ a (2-36) szerinti Ic-vel, ha a Petersen tekercs reaktanciáját XP = X C 0 − X tr 3 (Xtr << XC0) 58 (2-38) 2-19. ábra Fazorábrák szigetelt csillagpontú és kompenzált hálózatra nagyságúra választjuk (2-19 ábra). Ekkor a hibahelyi íven I C + I L áram folyik, amely elvben nulla és az ív kialszik, a földzárlat önmagától megszûnik. Az ív kialvását követõen a feszültség a hibahelyen csak lassan tér vissza, a

3XP és XC0 által alkotott 50 Hz-es rezgõkör több perióduson át bekövetkezõ lecsengésének ütemében. Ezért a csillagpont kompenzálás az ívelõ földzárlat kialakulásának is elejét veszi. A kompenzálás hatására akkor remélhetünk ívkialvást, ha a hibahelyi maradék áram 5-10 A-nél kisebb. A maradék áramnak több forrása van, így: − a csillagponti induktivitás - mint vasmagos tekercs - veszteségi ellenállásán folyó, wattos maradék áram, − a felharmonikus áramok, amelyre a kompenzálás nem hangolt, − az induktív maradék áram, ami abból adóik, hogy az ú.n soros rezonancia-veszély elkerülésére az IL kompenzáló áramot kb. 5 %-kal IC-nél nagyobbra kell beállítani Az utolsóként említett maradék áram miatt a kompenzálás hatásossága 50 A feletti kapacitív földzárlati áramú hálózatoknál csökken és 100 A körül az ívkialvással már nem számolhatunk. Tájékoztatóul 20 kV-os szabadvezeték kapacitív

földzárlati árama kb. 5 A/100 km, kábel esetén ez 60-szor nagyobb (3 A/km). Ezért még sok száz km összhosszúságú 20 kV-os szabadvezeték hálózatnál is hatásos a kompenzálás, míg vegyes hálózatoknál a kábel részarányának növekedése rontja a kompenzálás hatásosságát. 59 2-20. ábra Ívelõ földzárlat folyamata kétfázisú hálózaton Kiterjedt kábelhálózat esetén - így a 10 kV-os városi kábelhálózatoknál - ellenálláson át földelik a csillagpontot. Az ellenállás értékét 25-100 Ohm között úgy választják meg, hogy az 100-150 A földzárlati áramot eredményezzen. Ez megakadályozza az ívelõ földzárlat kialakulását és egyben lehetõvé teszi a szelektív földzárlatvédelmi érzékelést. b) Hatásosan földelt csillagpontú hálózatok 60 A nagyfeszültségû hálózatok esetén a transzformátorok csillagpontjának közvetlen földelésével hatásosan földelt csillagpontú rendszer hozható létre. Ennek a

jellemzõje, hogy földrövidzárlat alatt sem emelkedik az ép fázisok feszültsége 0,8 Uvonali (1,4 Ufázis) fölé. Ez akkor teljesül, ha a hibahely felõl mért zérus és pozitív sorrendû impedancia komponensekre az alábbiak teljesülnek: R0 ≤1 X1 és X0 ≤3 X1 (2-39) Ha a reaktanciára a megadottnál szigorúbb (Xo/X1) < 1 feltétel is teljesül, akkor a hálózat mereven földeltté válik. Ekkor az egyfázisú földrövidzárlat (FN) árama nagyobb a háromfázisú rövidzárlat (3F) áramánál és erre kell méretezni a berendezéseket. Ennek elkerülésére a csillagpontot lazítják úgy, hogy a transzformátorok egy részének csillagpontját egyáltalán nem vagy impedancián át - földelik. 2.43 A csillagpont földelés gyakorlata A csillagpont földelés gyakorlata Észak-Amerikában (USA, Kanada) teljesen egységes, amennyiben minden feszültségszinten a hálózatok közvetlenül földelt csillagpontúak. Ezen belül a kisfeszültségû (110 V) és a

középfeszültségû elosztó hálózatok nullavezetõje nem csak a csillagpontnál, hanem a hálózat mentén több pontban is földelt (multi point grounding). Az amerikai gyakorlat legfõbb elõnye az, hogy nem kell a földrövidzárlatok során ívelõ földzárlattal és általában tranziens és állandósult túlfeszültségekkel számolni. A másik elõnye az, hogy minden földzárlat egyben nagy áramú rövidzárlat, amelyet a relévédelem határozottan tud érzéleni és szelektíven tud hárítani. A földzárlatok rövidzárlati jellegének azonban hátránya is van, amennyiben azok a hibahely és a táppont közelében földpotenciál emelkedést okoznak az együtt haladó nyomvonalas létesítményekben, a távközlõ vonalakban pedig hosszanti eme-t indukálnak. Mivel minden földzárlat lekapcsolással jár, ezért a folyamatos energiaellátás érdekében többoldalú betáplálás, azaz jobban kiépített drágább elosztóhálózat szükséges. Az európai

csillagpont földelési gyakorlat a 2-17. ábra szerinti A nagyfeszültségû hálózatok itt is mindig hatásosan földeltek annak érdekében, hogy a földzárlati túlfeszültségek ne alakulhassanak ki és emiatt ne kelljen a nagyfeszültségen költséges szigetelés szintjét megnövelni. Az elosztóhálózatok - egyes országokban még a 110 kV-os hálózatok is - nem hatásosan földeltek. Ennek elõnye az, hogy a fázis föld közötti zárlat nem rövidzárlat, nem jár nagy földárammal, kompenzált hálózat esetén sok esetben önmagától megszûnik. Ha a földzárlat a kikapcsolás és automatikus visszakapcsolás során sem szûnik meg, akkor a hálózat átmenetileg - de akár órákig is - földzárlatos állapotban üzemeltethetõ. Ez olyan fogyasztónál fontos, amelynél a váratlan villamosenergia-kiesés súlyos következményekkel jár - pl. bánya-akna - és nincs automatikusan bekapcsolódó tartalék betáplálása. A szigetelt csillagpontú és a

kompenzált hálózatnak - a már tárgyalt épfázisú túlfeszültségeken túl - további hátránya az, hogy a földzárlat szelektív érzékelése különleges megoldást, pl. olyan földzárlati automatikát kíván, amely a csillagpontot átmenetileg ellenálláson át földeli. A kisfeszültségû hálózatok az európai gyakorlat szerint is mindig közvetlenül földeltek, sõt a nullavezetõ a hálózat mentén több pontban, sõt az ú.n nullával egyesített védõföldelés érintésvédelem esetén minden fogyasztónál földelt. 61 3. Villamosenergia-rendszerek irányítása A villamosenergia-termelés, -szállítás, -elosztás, -fogyasztás komplexum egyike a létezõ legbonyolultabb fizikai rendszereknek. Megfelelõ mûködéséhez több szintû dinamikus egyensúly fenntartása szükséges, ami jó minõségû folyamatirányítással valósítható meg. Jelen fejezetben - természetesen a teljességre való törekvés igénye nélkül - az energiarendszer

irányításának alapelveit, fõ elemeit, ezek összefüggéseit foglaljuk össze. Tekintettel arra, hogy a témával kapcsolatos szakirodalom elsõsorban idegen nyelven áll rendelkezésre és a magyar szakkifejezések jórészt a külföldi megfelelõk fordításai, helyenként megadjuk a fogalmak angol megfelelõjét a további tájékozódás elõsegítésére. 3.1 A villamosenergia-szolgáltatás alapfeladata A villamosenergia-ellátás alapfeladata a fogyasztók kiszolgálása megfelelõ rendelkezésre állású és minõségû villamos energiával a termelési, szállítási és elosztási költségek minimumon tartása mellett. Megfelelõ rendelkezésre álláson, azaz biztonságon azt értjük, hogy a villamos energia a vételezési pontokon elegendõ mennyiségben és folyamatosan álljon rendelkezésre. A nagyfeszültségû hálózat szempontjából a biztonság üzemzavartûrõ képességként fogható fel. Általános elõírás, hogy teljesüljön az ún. (n-1)

kritérium, azaz a rendszer valamely elemének meghibásodása, kiesése ne okozzon fogyasztói kiesést, illetve ne veszélyeztesse a többi berendezés biztonságos üzemét. Léteznek körzetek, ahol fokozott biztonságot követelnek meg az (n-2) kritérium teljesülésének elõírásával. A villamosenergia-ellátás minõségi jellemzõi a frekvencia értéke és a feszültség abszolút értéke, valamint szinuszossága. Állandósult állapotban az energiarendszer minden pontján azonos a frekvencia, amelynek értékére igen szigorú elõírások vonatkoznak, általában a névleges érték körül ± 0,1 %-os tûrésmezõt írnak elõ (ami 50 Hz-es rendszerben ± 50 mHz-et jelent). Egyes rendszerekben a frekvenciára vonatkozó elõírások (kényszerûségbõl) enyhébbek. A feszültség a frekvenciával szemben lokális jellemzõ, effektív értéke az azonos feszültségszintû hálózatban is pontról pontra különbözik az átvitellel járó feszültségesés

következményeként. A névleges értéktõl való megengedett eltérés feszültségszintenként különbözõ lehet, a legszûkebb tûrésmezõ ± 7.5 % a 400/230 V-os kisfeszültségû fogyasztói csatlakozási pontokra vonatkozóan A feszültség effektív értékének tûrésmezõben tartása mellett lényeges, hogy ne legyenek feszültségingadozások és a hullámalak közelítse az ideális szinuszgörbét. Az energiaellátás költségminimumát a termelés, szállítás, elosztás összköltségének minimuma adja. Az optimum eléréséhez figyelembe kell venni a költségeken kívül a források (erõmûvek) rendelkezésre állását, az energiaimport lehetõségét, a hálózati elemek rendelkezésre állását, továbbá a biztonsági (szükséges tartalékolási) és minõségi követelményeket. A biztonságos, jó minõségû és optimális energiaellátás kialakítása és fenntartása a rendszerirányítás feladata. 3.2 A villamosenergia-rendszerek és

irányításuk struktúrája A modern villamosenergia-rendszerek hierarchikus felépítésûek. A 3-1 ábrán láthatóan a kooperációs rendszer alapja a nagyfeszültségû hurkolt alaphálózat, amelyre csatlakoznak a közcélú nagy erõmûvek és ez szállítja a teljesítményt a fõelosztó hálózati csomópontokig. A fõelosztó és az elosztó hálózat jellemzõen sugaras kialakítású és nagy, illetve középfeszültségû. Ebbõl a hálózatból vételeznek a nagy ipari fogyasztók és a közcélú fogyasztói transzformátor 62 állomások. A kommunális fogyasztók a kisfeszültségû elosztóhálózatra kapcsolódnak A nemzeti kooperációs energiarendszerek az alaphálózatukon keresztül nemzetközi kooperációban egyesülnek, így igen nagy kiterjedésû, esetenként földrésznyi nagyságú rendszeregyesülések alakulnak ki. Az együttmûködõ energiarendszerek biztonságos, jó minõségû villamos energiát optimális körülmények között

szolgáltató üzemének fenntartása olyan méretû irányítási feladat, amely hierarchikus felépítésû rendszerirányítással oldható meg. A 3-1 ábrán látható módon a nemzeti energiarendszerek üzemirányítási hierarchiájának csúcsán a nemzeti teherelosztó (OVT) áll, amely kapcsolatot tart a rendszeregyesülés más tagországainak teherelosztóival, továbbá a fõelosztó hálózatot irányító körzeti diszpécser szolgálatokkal (KDSz). A teherelosztó vezényli a kooperációs alaphálózat és a nagy erõmûvek üzemét. A KDSz-ek üzemirányító központokat (ÜIK) vezényelnek, amelyek feladata a középfeszültségû elosztóhálózat felügyelete. A kisfeszültségû hálózat üzeméért az ÜIK-k, illetve az alájuk rendelt kirendeltségek felelõsek, ezek tartanak kapcsolatot a kommunális fogyasztókkal is. 3-1. ábra A hazai villamosenergia-rendszer és irányításának hierarchiája A konkrét rendszerirányítási feladatok hierarchia

szintenként természetesen különbözõek, azonban minden szinten elkülöníthetõk üzemelõkészítési, operatív üzemirányítási és üzemértékelési tevékenységek (3-2. ábra), amelyek szoros összefüggésben vannak egymással 3.21 Üzemelõkészítési feladatok A villamosenergia-rendszer biztonságos és optimális üzemének alapja a megfelelõ üzemelõkészítés, amely tág értelemben véve lehet hosszú-, közép- és közeltávú. A hosszútávú üzemelõkészítés tervezési feladat, amely során makro szempontokat (gazdaságfejlesztési koncepciók, fejlõdési trendek, stb.) is figyelembe vevõ beruházási elképzelések születnek A 63 rendszerirányító központok üzemelõkészítési feladatai részben középtávúak, (például karbantartás tervezés, csökkent biztonságú üzemállapotok elõzetes kiszûrése) és nagyrészt közeltávúak. Ez utóbbi tekinthetõ a szûkebb értelemben vett üzemelõkészítésnek, amely során heti, napi,

órás bontásban tervezik meg az energiarendszer üzemállapotait. A feladatok súlyának érzékeltetésére tekintsünk néhány - a nemzeti teherelosztó hatáskörébe tartozó - tipikus üzemelõkészítési tevékenységet: − hálózati topológia kialakítása a tervezett karbantartások, a tényleges rendelkezésre állás és a biztonságos és gazdaságos üzem követelményeinek figyelembe vételével, általában egy hétre elõre; − forrásteljesítmények tervezése erõmûvekre, órás (szükség szerint finomabb) bontásban a becsült fogyasztói igény, a lekötött import teljesítmény, rendelkezésre álló tüzelõ anyag alapján az erõmûvi blokkok üzemeltetési költségeinek optimálásával, általában egy napra elõre. A KDSz-ek és ÜIK-k üzemelõkészítési feladatai természetesen más jellegûek, hasonlóan szerteágazóak és felelõsségteljesek. 3.22 Operatív üzemirányítási feladatok Az operatív üzemirányítás (a szûkebb értelemben

vett rendszerirányítás) folyamatosan elvégzendõ, valós idejû (on-line, real-time) feladatok összessége. A feladatok jellege függ az irányított rendszer pillanatnyi állapotától (lásd 3.3 fejezet) Normál állapotban a fõ tevékenység a rendszerfigyelés, azaz a tervezett és a valóságos üzemállapot folyamatos összehasonlítása, tervezett és terven kívüli kapcsolások, átterhelések engedélyezése, végrehajtása, az üzemet jellemzõ adatok archiválása. A rendszerfigyelés magában foglalja az elõírt határértékek betartásának és a hálózati topológiának ellenõrzését, ami az üzemzavar-felismerés alapja. Az operatív üzemirányítás feladata az üzemzavaros állapotok mielõbbi megszüntetése, azaz a rendszer visszatérítése lehetõség szerint normál állapotba. 3.23 Üzemértékelési feladatok Az operatív üzemirányítás során archivált adatokat az üzemértékelés fázisában dolgozzák fel. Ezek alapján készülnek az

export-import és egyéb elszámolások, statisztikák, üzemzavari jelentések. Az üzemértékelésbõl származó információk visszacsatolódnak az üzemelõkészítéshez, ezáltal teremtik meg a terhelésbecslés, a karbantartástervezés, megbízhatósági számítások adatbázisát. Fontos feladat a bekövetkezett üzemzavarok kiértékelése, amelybõl nyert tapasztalatok alapján növelhetõ az üzem biztonsága, fejleszthetõ a hálózat védelmi-automatika rendszere, korrigálhatók az üzemviteli elõírások. 64 3-2. ábra A rendszerirányítási feladatok kapcsolata A rendszerirányítás feladatainak eddigi - igen vázlatos - ismertetésébõl is látható, hogy ezek megfelelõ szinvonalú ellátásához nagy mennyiségû információ folyamatos továbbítására, tárolására és feldolgozására van szükség, tehát alapvetõ fontosságú a rendszerirányítás számítógépes támogatása mind az operatív üzemirányítás (on-line, real-time feladatok),

mind az üzemelõkészítés és üzemértékelés (off-line jellegû feladatok) sikeres elvégzéséhez. 3.3 Rendszerállapotok Az operatív üzemirányítás konkrét feladatai az irányított rendszer pillanatnyi üzemállapotától függenek. A biztonság, minõség és gazdaságosság szempontjából megkülönböztethetõk normál, veszélyeztetett, veszélyes (üzemzavaros), illetve visszatérítéses rendszerállapotok (3-3. ábra) 3-3. ábra Rendszerállapotok kapcsolata Normál üzemállapotban teljesíthetõk a biztonsági, minõségi és optimum követelmények, nevezetesen teljesül az (n-1) kritérium, a frekvencia és a feszültség az irányított hálózat minden pontján megfelelõ (nincs határérték-túllépés) és a termelés, szállítás, elosztás minimális költséggel, illetve veszteséggel valósul meg. Az energiarendszer akkor kerül veszélyeztetett állapotba (alert state), ha valamely berendezés meghibásodása, kiesése következtében a biztonság

lecsökken, tehát valamely további kiesés veszélyes állapotot eredményez, azonban még nem következnek be határérték túllépések a minõségi jellemzõkben és túlterhelõdés sem jelentkezik, az üzemeltetési költségek általában nem minimálisak. Az operatív üzemirányítás szemszögébõl legfontosabb a veszélyeztett állapot felismerése, a normál állapotba való visszatérítés megtervezése és minél gyorsabb végrehajtása. Ha a visszatérítés rövid idõn belül nem megoldható, preventív intézkedésekkel kell a veszélyes rendszerállapot kialakulásának valószínûségét csökkenteni. A veszélyes rendszerállapotra (emergency state) az jellemzõ, hogy nem teljesíthetõk a biztonsági és minõségi követelmények. Határérték túllépések, túlterhelõdések jelentkeznek Súlyos 65 üzemzavarok során a rendszer szinkron üzeme megszûnhet, szétkapcsolódást, végsõ esetben teljes üzemszünetet okozhat. ami szigetekre való A

veszélyes (üzemzavaros) állapot megszüntetéséhez, tehát a rendszer visszatérítéséhez (restoration) lehetõség szerint a normál, vagy a veszélyeztetett állapotba, illetve az üzemzavar kiterjedését megakadályozó korrekciós beavatkozásokhoz az irányító személyzet gyors, határozott és jól megalapozott intézkedései szükségesek. Ezek megtételéhez elengedhetetlen a rendszer állapotát tükrözõ pontos információk folyamatos rendelkezésre állása. 3.4 A számítógépes rendszerirányítás megvalósításának szintjei A rendszerirányító központok kialakításakor pontosan körül kell határolni az elvégzendõ feladatokat, az ezeket támogató számítógépes funkciókat. Az üzemelõkészítés és üzemértékelés off-line jellegû számítógépes támogatása nem feltétlenül része a folyamatirányító rendszereknek, azonban célszerûségi okokból (adatbázis) gyakran a folyamatirányító számítógépre implementálják a

szükséges szoftvereket. A következõkben fõleg az operatív rendszerirányítást támogató on-line funkciókkal foglalkozunk, amelyek bonyolultságuk, illetve felhasználásuk szerint sorolhatók felügyeleti (supervisory), döntéselõkészítõ (evaluation), tanácsadó (decision making), illetve automatikus szabályozó (automatic control) szintû rendszerhez. Adott irányítóközpont funkciói természetesen nemcsak egy szinthez tartozhatnak, illetve nem minden rendszerállapotban alkalmazhatók. 3.41 Felügyeleti rendszer A számítógépes rendszerirányítás alapja a felügyeleti és adatgyûjtõ rendszer (SCADA: supervisory control and data acquisition), ami kiterjed távmérések, távjelzések fogadására, ezek primer hihetõségvizsgálatára, rendszerezésére, frissítésére, megjelenítésére és tárolására. A felügyeleti rendszerhez tartozó funkciók jellegzetesen on-line, real-time tipusúak, fontos követelmény ezek megbízható mûködése bármely

rendszerállapotban. A magasabb szinthez tartozó szoftver funkciók a SCADA rendszer nélkül általában mûködésképtelenek. A használatos programok jórészt kis aritmetikai igényûek és igen rövid (néhány ms) válaszidejûek. A felügyeleti rendszer néhány tipikus funkciója: − Mérések, jelzések fogadása. Az irányító központba eljutó távmérések (vezetéki MW, Mvar áramlások, gyûjtõsin feszültségek, stb.) és távjelzések (megszakító állásjelzés, transzformátor fokozatállás, stb.) jórészt digitális táviratokba szervezve, hírközlõ berendezéseken (telemechanika) keresztül érkeznek. Ezek dekódolása, primer hihetõség vizsgálata, azaz a hibás táviratok kiszûrése, fizikai adatbázisba szervezése folyamatos, másodperc nagyságrendû ciklusidõvel induló programokkal valósul meg. Az állásjelzés-változások megszakíthatják a ciklikus feldolgozást és elsõbbséggel (aciklikusan) kerülnek tovább. − Megjelenítés. A

ciklikusan frissülõ on-line adatbázisban lévõ információk képernyõn, sématáblán jeleníthetõk meg. Természetesen az összes információ (esetenként több ezer) egy képernyõn nem fér el, szokásos megoldás, hogy az elõre generált, változatlan struktúrájú (background) képernyõkön a ciklikusan frissülõ információk rendszerezett formában (foreground) jelennek meg. − Naplózás. Az on-line adatbázisban lévõ információk az üzemértékelés számára megfelelõ ciklusidõvel megõrzõdnek. Az üzemzavarok kiértékeléséhez fontos támpont a kapcsolási sorrendeket õrzõ eseménynapló és a közel egyidejû mérések archiválásával készülõ ún. post mortem napló (PMR). 66 − Határérték és gradiens figyelés. Veszélyeztetett, illetve veszélyes állapotok felismerésénél van nagy jelentõsége. Figyelemeztetõ jelzéseket ad a diszpécserek számára, aciklikusan indítja a naplózást. − Toplógia analízis. Ugyancsak

üzemzavar-felismerési célokat szolgál, állapotváltozás esetén indítja a magasabb szintû értékelõ, tanácsadó, szabályozó funkciókat. 3.42 Döntéselõkészítõ rendszer A döntéselõkészítõ rendszer feladata a pillanatnyi üzemállapot értékelése biztonsági, minõségi és gazdaságossági szempontból. Az ide sorolható funkciók on-line adatokkal dolgoznak, azonban gyakran nem tudják követni a valós idejû folyamatokat, mivel nagy adatmennyiséget mozgatnak, a számítások nagy aritmetika igényûek és általában iterációt alkalmaznak nemlineáris egyenletrendszerek megoldására. A döntéselõkészítõ rendszerhez sorolható néhány funkció: − Állapotbecslés (state estimation). Feladata, hogy redundáns információk (mérés, jelzés, hálózati egyenletek) alapján meghatározza az irányított rendszer állapotváltozóinak legvalószínûbb értékét, kiszûrje a hibás méréseket, jelzéseket, ezzel konzisztens adatbázist állítson

elõ más hálózatszámító szoftverek számára. − Teljesítmény-áramlás számítás (on-line load-flow). Alkalmazásával meghatározhatók a mért, becsült és számított hálózati állapotok közötti különbségek, továbbá szimulálhatók a tervezett, vagy terven kívüli kapcsolások hálózati hatásai. Ciklikus futtatásának eredményeire alapozható az egyszeres kieséseket értékelõ üzembiztonsági (security) analízis. − Optimális teljesítmény-áramlás számítás (optimal power flow). Ennek segitségével határozható meg egy adott topológiájú hálózatra a betáplálások és feszültségértékek (tûréshatáron belüli) nagysága ahhoz, hogy a termelés és energiaszállítás minimális költségû legyen. − Stabilitásszámítás. Segítségével egy load-flow által meghatározott üzemállapotban zárlati, kapcsolási események, védelmi mûködések szimulációjával lehet következtetni a rendszer robosztusságára, azaz

üzemzavar-tûrõ képességére. 3.43 Tanácsadó rendszer A tanácsadó szint felhasználja a döntéselõkészítõ funkciókat, lényeges különbség azonban, hogy itt az aktuális üzemállapot értékelésén túl meghatározzák azokat az intézkedéseket is, amelyek az adottságok figyelembe vételével az elérhetõ legjobb paraméterekkel rendelkezõ üzemállapot kialakításához szükségesek és ezeket az irányító személyzet tudomására hozzák. A tanácsadó funkciók az irányított rendszerhez igazodnak, így általános jellemzésük nem adható meg néhány mondatban. Fejlesztésük folyamatos és igen felgyorsult a szakértõ rendszerek (expert systems) fejlõdésével. 3.44 Automatikus szabályozó rendszer Az automatikus szabályozást végzõ funkciók a folyamatirányítás legmagasabb szintjét képviselik. Lényegük, hogy döntéseket hoznak és intézkedéseket hajtanak végre az irányító személyzet beavatkozása nélkül. Felhasználásuk a

rendszerirányítási hierarchiában igen különbözõ, az alállomások üzemirányításában léteznek komplex üzemzavar elhárító rendszerek, rendszerszinten azonban jelenleg a normál üzemállapotban szükséges szabályozási funkciókat végzik. 67 Tipikusnak mondható az automatikus teljesítmény-frekvencia szabályozás (load-frequency control: LFC) és a gazdaságos teherelosztás (economic load dispatching: ELD). Gyakori az LFC és ELD kombinált alkalmazása. Az LFC funkció a frekvencia névlegestõl való eltérése, valamint az export-import teljesítmény szaldó (csereteljesítmény) menetrendtõl való eltérése alapján adja meg a szabályozásba bevont erõmûvek teljesítmény parancsát, az ELD gondoskodik arról, hogy az aktuális teljesítményigényt kielégítõ erõmûvek azonos növekményköltségû munkapontokban (gazdaságossági optimum pontok) üzemeljenek. 3.5 A rendszerirányításhoz tartozó további témakörök A rendszerirányítás a

villamosenergia-ipar legdinamikusabban fejlõdõ ága. Az alábbiakban azoknak a legfontosabb témaköröknek a cím szerinti felsorolását adjuk meg, amelyek szorosan kapcsolódnak a villamosenergia-rendszerek üzemeltetéséhez és irányításához: − fogyasztók teljesítményigényének változása, becslése, befolyásolása; − teljesítményátvitel korlátai, feszültség-, frekvencia- és szink ron-stabilitás, stabilitás becslés, stabilitás mentés; − erõmû és hálózat együttmûködése, erõmûvi feszültség és hatásos teljesítmény szabályozás; − rendszerszintû hatásos teljesítmény-frekvencia és feszültség-meddõteljesítmény szabályozás; − nagyfeszültségû egyenáramú átvitel üzeme, hatása a csatlakozó váltakozóáramú hálózatra; − a számítógépes rendszerirányítás hardver kialakítása; − információátvitel az energiarendszerben; − üzemi és üzemzavar-elhárító automatikák, védelmek; −

villamosenergia-rendszer statikus és dinamikus szimulációja, diszpécseri tréning. 68 4. A VILLAMOSENERGIA-RENDSZER ÜZEME Egy váltakozó áramú villamosenergia-rendszer üzemét alapvetõen az határozza meg, hogy az erõmûvek szinkrongenerátorai által megtermelt villamos energia nem tárolható váltakozó áram formájában. A termelés tehát nem lehet tetszõleges, hanem a pillanatnyi fogyasztói igényhez kell alkalmazkodnia. A villamos erõátvitelnek ez a sajátossága általános érvényû, így független attól, hogy egyetlen generátor, vagy egy többgenerátoros erõmû, vagy hálózaton keresztül összekapcsolt erõmûvek sokasága látja el a hálózatra csatlakozó és onnan vételezõ villamos fogyasztókat. A névleges frekvenciára és névleges feszültségre törekvõ szabályozásnak, a villamosenergiarendszer biztonságos és gazdaságos üzemének számos összetevõje van. A következõkben ezek közül csak néhány lényeges kérdéssel

foglalkozunk. 4.1 A teljesítmények egyensúlya, az üzemeltetés alapfeladatai A fogyasztói teljesítmény igény pillanatról pillanatra változik. A fogyasztók a szükségleteiknek megfelelõen a saját berendezéseiket ki- vagy bekapcsolják, illetve az üzemelõ berendezéseik terhelését megváltoztatják. Fogyasztói területekre és a rendszer egészére vonatkozóan a véletlenszerû ingadozások a nagyszámú fogyasztó következtében kiegyenlítõdnek, illetve az összfogyasztás viszonylag lassú, elõre jól becsülhetõ változásában jutnak érvényre. A pillanatnyi fogyasztói igény a rendszerbõl vételezett egyedi Pfj hatásos, illetve Qfj meddõ teljesítmények összegzésével adható meg: PF = ∑ Pfj QF = ∑ Q fj 4.11 A hatásos teljesítmények és a frekvencia energetikája A villamos erõátvitel alapvetõ célja a hatásos (wattos) teljesítmény szállítása a fogyasztókhoz. Legsajátosabb jellemzõje a frekvencia, amely az általában lassan

változó és állandósult állapotok sorozatának tekinthetõ normál üzemben a rendszer minden pontján azonos. Ha a generátorok fordulatszáma és így a hálózati frekvencia nem változik, vagy csak elhanyagolhatóan kis mértékben ingadozik, akkor minden egyes generátorra vonatkozóan (a veszteséget elhanyagolva) igaz, hogy Pgi= Pmi ahol Pgi a generátor kapcson kiadott villamos teljesítmény és Pmi a generátort forgató turbina leadott mechanikai teljesítménye, vagyis a hatásos teljesítmény tényleges forrásai az erõmûvek turbinái. Az egyes generátorok Pgi, illetve turbinák Pmi teljesítményét összegezve a rendszer teljes termelését a PG = ΣPgi illetve PM = ΣPmi módon adhatjuk meg, és állandósult állapotban a rendszer statikus energetikai egyensúlyát a PG = PM (4-1) összefüggés jellemzi. Az erõmûvek üzemben tartása ún. háziüzemi fogyasztással jár (a generátor kapcsokon kiadott teljesítmény átlagosan 6-8%-a) és ezt a PF

összfogyasztás részének lehet tekinteni 69 A forrásoldalon a generátor kapcsokon kiadott PG és a hálózati veszteségeket leíró Pv (átlagosan a PG 10-12%-a) teljesítményekkel a rendszer minden pillanatban érvényes villamos teljesítmény-egyensúlyát a PG = PF + Pv (4-2) összefüggés fejezi ki (az energia-megmaradás elvének megfelelõen), és ez tranziens állapotban, változó frekvencia esetén is érvényes. A rendszer üzemében a fogyasztásé a meghatározó szerep és a termelésnek követnie kell a mindenkori fogyasztói igényt. Ahhoz, hogy a (4-2) szerinti egyensúly a névleges, vagy ettõl csak kis mértékben eltérõ frekvencián valósuljon meg, az erõmûvek teljesítményét állandóan szabályozni kell. Ez az üzemeltetés egyik legfontosabb feladata A (4-1) és a (4-2) egybevetésébõl világosan látszik, hogy a szabályozásnak a PM (illetve az egyes Pmi) teljesítmény megváltoztatását kell eredményeznie. Változó PF, de állandó

PM esetén a rendszer (4-1) szerinti energetikai egyensúlya megbomlik, a frekvencia megváltozik. Ezt az összefüggést egyetlen turbina-generátor egységre vonatkozóan a Pgi = Pmi - Tidωi/dt (4-3a) szerint adhatjuk meg, ahol Ti az i jelû turbina-generátor egység forgó tömegének a perdülete és ωi a gépegység pillanatnyi fordulatszámának megfelelõ villamos körfrekvencia. A Ti perdületet a Θi tehetetlenségi nyomatékkal a Ti = ωiΘi szerint fejezhetjük ki és így a Ti dωi/dt = ωi Θi dω/dt = d (1/2 Θ ω i2 )/dt= d Wki/dt alapján Pgi = Pmi - d Wki/dt (4-3b) írható, ahol Wki a kinetikus energia. A meghajtó mechanikai és a fékezõ villamos teljesítmények eltérése a forgó tömegek lassulását (vagy gyorsulását) eredményezi és az így felszabaduló kinetikus energia alakul át villamos teljesítménnyé (a mechanikai teljesítménytöbblet kinetikus energiává) ami a fordulatszám és így a villamos frekvencia csökkenését (növekedését)

eredményezi. A rendszer összes gépegységére felírható egyenletekbõl szummázással megkapjuk a rendszer egészére vonatkozó, az általános dinamikus energetikai egyensúlyt kifejezõ összefüggést a PG = PM - T dω/dt = PF+ Pv (4-4) képlet alakjában, ahol T = Σ Ti a rendszer forrásoldali összperdülete ω = Σ ωiTi/T a rendszer átlagos (fiktiv) körfrekvenciája. Látható, hogy az ω addig változik, amíg a PM=PF+Pv állapot be nem következik. Az átlagos rendszerfrekvenciát, amelyet az f = ω/2Π alapján határozhatunk meg, úgy kell értelmeznünk, hogy átmeneti állapotokban a rendszer egyes pontjain mérhetõ frekvencia ezen átlagérték körül viszonylag kis amplitúdóval lengedezik és az új állandósult állapot elérésekor erre simul rá. A (4-4) alapján beláthatjuk,hogy jelentõs PM forráshiány, vagy elégtelen Pmi, illetve PM szabályozás esetén az f frekvencia meg nem engedhetõ mértékben lecsökkenhet, és a 70 további

csökkenés végsõ esetben csak a PF fogyasztói igény nem kívánatos korlátozásával akadályozható meg. A teljesítmény-frekvencia viszonyok vázlatos elemzése alapján is kijelenthetjük, hogy a frekvencia alakulása alapvetõen energetikai kérdés és ezt a teljesítményt forgalmazó hálózat csak gyakorlatilag elhanyagolható mértékben, a Pv összveszteség megváltozása esetén befolyásolja. Megjegyezzük, hogy a (4-2) szerinti statikus, illetve a (4-4) dinamikus egyensúly alapján kialakuló frekvenciát a PF, (illetve az egyes Pfj-k) frekvencia- és feszültségfüggése is befolyásolja, amelyre a késõbbiekben majd visszatérünk. 4.12 A meddõ teljesítmények a feszültségek és a hálózat kapcsolata A fogyasztói berendezések többsége a mûködéshez nemcsak hatásos, hanem induktív meddõ teljesítményt is igényel, illetve vesz fel a hálózatból, amit szintén elõ kell állítani és a fogyasztóhoz eljuttatni. A meddõ teljesítmény forrásai

a túlgerjesztett erõmûvi generátorok, a statikus (ún. fázisjavító) kondenzátortelepek, a távvezetékek természetes kapacitása és esetenként a fogyasztói (túlgerjesztett) szinkron motorok. A teljesítményszállítás a távvezetékek és a transzformátorok induktív reaktanciáin (XI2 formában kifejezhetõ) meddõteljesítményveszteséget okoz. A meddõteljesítmény-szállítás növeli az áramerõsséget, növekszik az RI2 veszteség és a feszültségesés, ezért a meddõteljesítmény-áramlásokat minimálni kell. A meddõ teljesítmény mindig a magasabb potenciáltól az alacsonyabb potenciál felé áramlik (illetve a potenciálkülönbség meddõ áramlást eredményez), másrészt a feszültség emelése a meddõ betáplálás növekedésését vonja maga után (illetve a betáplálás növelése emeli a feszültséget). A feszültség és a meddõ teljesítmény egymással szoros kapcsolatban áll és egymásra hat. Az egyedi fogyasztók Pfi és Qfi

teljesítményigényét névleges frekvencián és névleges (vagy attól csak kis mértékben eltérõ) Ui feszültségen kell kielégíteni. A feszültségek alakulása nem olyan rendszerszintû jellemzõje a villamosenergia-szolgáltatásnak, mint a frekvencia, mert az Ui-k a rendszer egyes pontjain a névleges értéktõl különbözõ mértékben térhetnek el, az adott hálózati környezet és a fogyasztói teljesítményigény változásainak függvényében. Lehetséges tehát, hogy adott idõpontban a rendszer egyes körzeteiben az átlagosnál nagyobbak, másutt kisebbek a feszültségek. A feszültségtartás együttesen és összetartozóan hálózatméretezési, feszültségszabályozási és meddõteljesítmény-kompenzációs feladat, alapvetõen áramköri kérdés. A feszültség a forrásoldalon a generátorok kapocsfeszültségének (gerjesztésének), a hálózati oldalon a transzformátorok áttételének (fokozatállásának) változtatásával szabályozható

és a statikus meddõteljesítmény-források (vagy nyelõk, pl. söntfojtók) ki- vagy bekapcsolásával (korszerû eszközök esetén folyamatos szabályozásával) befolyásolható. Nyilvánvaló, hogy a rendszer feszültségviszonyait "megalapozó" forrásfeszültségeket az erõmûvi generátorok adják. A transzformátorokkal csak "szintszabályozás", illetve korrekció végezhetõ, és a statikus elemek csak feszültség alá helyezve, a meddõ áramlásokat befolyásolva, módosítják a feszültséget Az erõmûvek döntõ többsége a nagyfeszültségû (400 ill. 220 kV-os) hálózatra dolgozik, ezért ezen hálózat meddõteljesítmény-feszültség viszonyai és a generátorok Qgi betáplált teljesítményei egymással szoros kapcsolatban állnak. A hálózati meddõ viszonyokat nagy mértékben befolyásolja a forgalmazott hatásos teljesítmény. Valamely távvezeték hosszegységének L induktivitásából és C kapacitásából (a soros

ellenállás elhanyagolásával) meghatározható a vezeték ún. karakterisztikus vagy más néven hullámellenállása, a távvezetékek elméletébõl ismeretes 71 R0= (4-5) L C összefüggéssel. Ha a vezetéken, U (fázis)feszültség mellett, éppen a 2 Pt= U /Ro (4-6) ún. temészetes teljesítménnyel egyenlõ hatásos teljesítmény áramlik az I=Pt/U árammal, akkor a vezeték-hosszegység meddõ mérlegét kialakító Qind = ω L I2 "fogyasztott" és Qkap= ω C U2 "termelt” meddõ teljesítmények azonosak és ezáltal a teljes vezeték meddõ mérlege zérus lesz. (A Pt független a vezeték hosszúságától.) Belátható, hogy a P < Pt áramlás esetében az adott vezeték "meddõ termelõként", míg P > Pt esetben "meddõ fogyasztóként" hat a rendszer, illetve közvetlenül az adott feszültségszint meddõ mérlegére. A szállított hatásos teljesítmények nagysága tehát visszahat a generátorok Qgi

betáplálására, illetve a szükséges (vagy megengedhetõ) forrásfeszültségére. A generátorkapcsokon kiadott Qgi és az egyedi fogyasztók által felvett Qfi, valamint a helyi meddõforrásokban (kondenzátorokban) elõállított Qck meddõ teljesítmények külön-külön összegezhetõk: QG = Σ Qgi , QF = Σ Qfi , és QC = Σ Qck A teljes hálózat (fogyasztott és termelt) meddõegyenlegét induktív QH fogyasztásnak feltételezve, a rendszer egészére vonatkozó meddõteljesítmény-egyensúly, a QG = QF - QC + QH (4-7) alakban írható fel. Ez az egyensúly fizikai törvény, tehát mindig megvalósul, de az korántsem mindegy, hogy milyen feszültségek mellett jön létre. Ahhoz, hogy a (4-7) rendszerszintû meddõteljesítmény-egyensúly a hálózat minden pontján a névlegeshez közeli feszültség kialakulásával járjon együtt, folyamatos szabályozásra van szükség (az elõbbiekben említett eszközök, lehetõségek révén). Ez az üzemeltetés másik

fontos feladata Törekedni kell arra, hogy a rendszer egyes részeiben, hálózati körzeteiben is meddõ egyensúlyhoz közeli állapot alakuljon ki, mert ez csökkenti a veszteségeket és a szükséges "szabályozási munkát". Jól méretezett átviteli (és elosztó) hálózatok esetén a szabályozás és a meddõkompenzáció feszültségszintenként, területi megosztásban és egymással összehangolható módon végezhetõ el. Megjegyezzük, hogy a feszültségviszonyokat a Qfi és Pfi teljesítmények feszültségfüggése is befolyásolja, amelyre még visszatérünk, A sok erõmûbõl és fogyasztóból álló rendszer fizikai egységét a több feszültségszintet átfogó hálózat teremti meg. A hálózati alakzatok szükség szerinti változtatása, hurok képzése vagy bontása, bontási pont áthelyezése, transzformátorok párhuzamos kapcsolása vagy a párhuzamos üzem megszüntetése, gyûjtõsínek vezetékeinek átcsoportosítása képezik a

hálózati üzemvitel legfontosabb végrehajtási eszközeit. 4.2 A fogyasztói teljesítményigény változásai Belátható, hogy az egyes tényleges fogyasztói berendezések teljesítmény felvétele nem kezelhetõ külön-külön a magasabb szintû tervezés és üzemeltetés folyamán, hanem mindig csak egy fogyasztói terület, ellátási körzet összevont igényét lehet (illetve kell) figyelembe venni a fölérendelt elosztó vagy átviteli hálózat tervezésekor, üzemeltetésekor. Fogyasztói körzetet képez például egy 0.4 kV-os szekunder feszültségû transzformátor által ellátott kisfeszültségû 72 fogyasztók összessége, vagy magasabb szintre, egy 120/középfeszültségû transzformátor állomásra vonatkoztatva, az állomásból táplált középfeszültségû vezetékek és az ezekre csatlakozó összes Kf/0.4 kV-os transzformátor körzetek együttese Ilyen módon értelmezhetõ, illetve végezhetõ az összesítés a rendszer egészére.

4.21Terhelési menetrend A rendszer fogyasztói igényének idõbeni (óra, nap, év) tendenciaszerû változása statisztikusan elõre becsülhetõ és ez az alapja a tervezésnek, a terhelési menetrend készítésének. Ezáltal elõre meghatározható az üzemben tartandó optimális erõmûvi teljesítõképesség, illetve ennek elosztása az egyes erõmûvek között, a szabályozásokhoz szükséges tartalékok és a gazdaságossági követelmények alapján. 4-1. ábra Az MK VER 1992 március 18-i terhelése A több tagországot magában foglaló egyesített villamosenergia-rendszerekben fontos szerepe van az egymás közötti, elõzetesen tervezett vagy forráshiány esetén kisegítésként adott, villamos energia (teljesítmény) szállításnak vagy forgalomnak. Ezt az ún export-import szaldót természetesen figyelembe veszik az erõmûvi menetrendekben. A napi terhelési menetrend órás bontásban tartalmazza a várható fogyasztói teljesítményigényt.

Természetesen a nyári és téli, ezen belül a munkanapi, illetve munkaszüneti napi menetrendek adatszerûen eltérõek. A terhelés változására azonban jellemzõ, hogy viszonylag rövid idõtartamú a napi legnagyobb, illetve legkisebb igény, amit csúcs-, illetve völgyterhelésnek (és idõszaknak) szokás nevezni. Ennek ismerete, illetve elõre becslése, a rendszer üzemének szempontjából alapvetõen fontos, mert megadja azt a teljesítmény tartományt, amit az erõmûvi gépegységek szabályozásával (indításával, leállításával) "át kell fogni" a terhelésváltozás során, továbbá a csúcsterhelés 73 megadja azt a legnagyobb "igénybevételt", amit a rendszernek el kell viselnie. A 4-1 ábra a magyar villamosenergia-rendszerre (MK VER) vonatkozóan szemléltet munkanapi tényadatokat. A napi csúcsterhelések maximuma adja meg az adott hónap, illetve az adott év legnagyobb terhelését. Egy éven belül a legkisebb havi csúcs

(az MK VER-ben) nyáron, az évi csúcsterhelés télen jelentkezik, ezért a nyári munkaszüneti minimum és a téli munkanapi maximum az MK VER két szélsõ terhelési állapota. Az évi csúcsok változása (trendje), illetve az évek azonos idõszakában fellépõ csúcsterhelések alakulása, az adott ország villamosenergia-fogyasztásának a jellemzõje és ezek elõre becslésén alapul a távlati tervezés. 4.22 Feszültség- és frekvenciafüggés Az egyes fogyasztók által felvett, adott idõpontra vonatkozó hatásos és meddõ teljesítmény, csak változatlan feszültség és frekvencia esetén marad állandó. Például a frekvencia kis növekedésének hatására a motorok valamivel gyorsabban forognak és így állandó nyomaték esetén nagyobb teljesítményt fejtenek ki, vagy az ellenállás jellegû fogyasztó teljesítménye a feszültséggel négyzetes arányban változik. Egyszerû esetként tekintsünk egy párhuzamos R, L elemekbõl álló fiktív

fogyasztót, és legyen az U0 feszültségen és f0 frekvencián felvett teljesítménye P0, illetve Q0, az U és f értékekhez pedig tartozzon P , illetve Q . Ezekkel P0 = U 20 / R Q0 = U 20 / (2Πf0L) P = U2 / R Q = U2/ (2Πf L) Ezt rendezve írhatjuk, hogy a felvett példára vonatkozóan: Q = Q0 ( U/U0)2( f/f0)-1 P = P0 ( U/U0)2 Kis ∆U = U - U0, illetve ∆f = f - f0 általánosított formában a megváltozásra, a hatványkitevõs alak sorfejtésével, P = P0 + P0 (kpu∆U/U0 + kpf ∆f/f0 ) (4-8a) Q = Q0 + Q0 (kqu∆U/U0+kqf ∆f/f0 ) (4-8b) képletekkel adható meg a fogyasztói teljesítmény igény megváltozása a kpu, kqu és a kpf, kqf , ún. feszültség- és frekvencia érzékenységi tényezõk segítségével .Ezek a tényezõk a ∆P = P - Po és ∆Q = Q - Qo bevezetésével a ∆f = 0, illetve a ∆U = 0 esetben, a relatív változások arányaiként értelmezhetõk: kpu = (∆P/P0 )/( ∆U/U0) kpf = (∆P/P0 )/( ∆f/f0) (4-9a) kqu = (∆Q/Q0)/(

∆U/U0) kqf = (∆Q/Q0)/( ∆f/f0) (4-9b) Átlagos fogyasztói területhez közelítõleg a kpu =1 és kpf =1 rendelhetõ, vagyis 1 %-os feszültség-, vagy frekvencia változás ugyancsak 1%-os P teljesítmény változást eredményez. A Q meddõ teljesítményre, a vasmagos, telítõdõ induktivitások és a kondenzátoros meddõkompenzáció együttes hatásaként, a kqu = 3 - 8, és a kqf < 0 értékek a jellemzõek. Változatlan frekvencián a kpu = 0 és kqu = 0 az állandó teljesítményû, a kpu = 1 és kqu = 1 az állandó áramú, a kpu = 2 és kqu = 2 az állandó impedanciájú fogyasztói típust írja le. 74 A különbözõ k tényezõjû fogyasztói terhelések az összterhelés és az eredõ megváltozás azonosságának elvén vonhatók össze, például a Q0i és a kqui jellemzõk eredõjére vonatkozóan Q0 = Σ Q0i és kqu = Σ kqui Q0i / Q0 (4-10) Az adott idõpontban vételezett fogyasztói teljesítmény feszültség- és frekvencia

érzékenysége "munkapont-õrzõ" jellegû, az U és f változások ellen hat, illetve azokat mérsékeli, ezért a rendszer mûködésére stabilizáló hatást gyakorol (például csökkenõ frekvencia esetén a felvett P is kisebb lesz, ezáltal csökken a változást okozó teljesítmény hiány). Az U és f függés a rendszerben P-Q-U-f keresztkapcsolatokat hoz létre (pl.: az f csökkenése a Q felvételt növeli, ezért az U csökken, ami a P felvételt is csökkenti és ez visszahat az f -re). A ∆P/∆f érzékenységnek a teljesítmény egyensúly kialakulásában is fontos szerepe van. Példaként vegyünk egy PF0 =100000 MW-os rendszert, amely az f0= 50 Hz frekvencián üzemel, a fogyasztói összigény 0.1%-al megnõ, vagyis ∆ PF0= 100 MW, de a forrás oldalon ezt nem követi a szabályozás (∆PM0=0). A teljesítmény egyensúly tehát felborult és a frekvencia csökkenését csak a PF, 0 = PF0+ ∆PF0 fogyasztói igény frekvencia függése tudja

megállítani, illetve csak ez fogja meghatározni az új állandósult értékét a statikus egyensúly kialakulásához. Az f0 frekvenciához PM0 = PF0 +Pv0, az f frekvenciához PM = PF, +Pv írható, de PM = PM0, és vegyük állandónak a veszteséget, vagyis Pv = Pv0. Változatlan U értékeket feltételezve, a frekvenciaváltozás a (4-8a) alkalmazásával (és az elõbbiek figyelembe vételével) a PF = PF 0 = PF, 0 + PF, 0 k pf ∆f / f 0 egyenletbõl fejezhetõ ki : ∆f =- ∆PF0 f0 / ( PF, 0 kf ) Legyen kf = 1, és így a felvett adatokkal ∆f = -49.95 mHz, közelítõleg 01 %-os csökkenés adódik. A rendszer "nagysága" jelentõsen befolyásolja a "kiszabályozatlan" teljesítmény hiány okozta frekvencia változást. A példához egy PF0 =6000 MW-os, "egyedül járó" kis rendszert és ugyancsak ∆PF0 =100 MW-ot felvéve, ∆f= -0.82 Hz adódna, ami már tartósan nem engedhetõ meg. Az összefüggésekbõl következik, hogy állandó PF0

, de ∆PMo= -100 MW (forrás oldali kiesés) esetén is hasonló eredményeket kapnánk, ha nem történik szabályozás. Az adott rendszerre jellemzõ, MW/Hz -ben értelmezett ún. fogyasztói frekvencia tényezõ a mindenkori PF0 ismeretében a (4-9a) alapján határozható meg : KF =∆ PF /∆f = kf PF0 / fo (4-11) A frekvencia veszélyes mértékû csökkenését a PF automatikus korlátozásával lehet megállítani. Ez hirtelen U emelkedést eredményez, ami növeli a "megmaradt" PF, 0 értékét, és ez rontja a korlátozás hatékonyságát. A fogyasztói területek induktív meddõ igénye a feszültség függvényében nagyobb mértékben változik, mint a kondenzátortelepek által elõállított meddõ (ami négyzetesen változó), és ez a sönt kapacitás feszültség növelõ hatása miatt (induktív jellegû árampályán történõ átvitelt véve) csökkenti a meddõ kompenzáció "várt" mértékét. Legyen egy fiktív fogyasztó mágnesesen

telítõdõ L induktivitással és C kapacitású "saját" meddõ forrással jellemezve. Az eredõ Q meddõ felvételt U feszültség esetén a QL0 = U 20 /(2PfL) , és Q = QL − QC = QL 0 (U U 0 ) QC0 = U 20 (2PfC) kquL − QC 0 (U U 0 ) 75 2 szerint kapjuk meg, ahol kquL > 2 , mert növekvõ feszültség esetén a telítõdés miatt az L csökken. Az eredõ kqu tényezõt a (4-10) alkalmazásával és a Q0= QL0 - QC0 jelöléssel a kqu = (kquL QL0 - 2 QC0 ) / Q0 = (kquL -2Ko) / (1-K0) adja meg, ahol K0= QC0/ QL0 a meddõ kompenzáltság mérték az Uo feszültségen. Ebbõl látható, hogy a K0 növelésekor csökkeni fog az eredõ Qomeddõ igény, de erõteljesen növekszik a feszültség érzékenység (például K0=0.5 és kquL =3 esetén az eredõre kqu =4 adódik, a K0=08 -nál már kqu =7),és az U>U0 esetben K < K0lesz az eredmény. A példaként választott egyszerû eset is szemlélteti, hogy a fogyasztói ∆Q/∆U érzékenység általában nem

elhanyagolható tényezõ a Q-U viszonyok alakulásában. 4.3 Teljesítmény- és frekvencia szabályozás Állandósult állapotban a villamosenergia-rendszerben mindenütt azonos a frekvencia. A rendszer egészére vonatkozóan az erõmûvi P-f szabályozás célja az, hogy ez a frekvencia mindig a névleges érték legyen, illetve az ettõl való eltérések idõtartama legyen minimális. 4.31 A turbinaszabályozó P(f) karakterisztikája A frekvencia tartásban fontos szerepe van a Pm mechanikai teljesítmény P(f) karakterisztikájának. A turbina-generátor tengely fordulatszáma és a hálózati f frekvencia között állandósult állapotban egyértelmû a kapcsolat, ezért a turbina P(f) kararakterisztikáját adó szabályozó berendezést (amely gyakran nem frekvenciát, hanem fordulatszámot érzékel) fordulatszám-szabályozónak szokás nevezni. A 4-2a ábra a frekvenciára érzéketlen, a Pm= Pmo alapjel szerinti állandó teljesítményre történõ szabályozást

mutatja. Az adott gépegység számára ez a "nyugodt" üzem miatt kedvezõ, de a rendszer szempontjából elõnytelen, mert ez a gépegység a frekvencia eltérés csökkentéséhez csak az alapjel megváltoztatása esetén járul hozzá. A Pm mechanikai teljesítmény határa az egység Pmmax teljesítõképessége. Az fmin alatti frekvencián (a fõként aszinkron motoros háziüzem elégtelen mûködése miatt) az egység teljesítõképessége rohamosan csökken. Ez a veszélyesen alacsony frekvencia kb. 475-470 Hz 76 4-2. ábra Turbinaszabályozó P(f) karakterisztikák A turbinák többsége fordulatszám-szabályozóval van ellátva és ennek beavatkozó hatását a 4-2b ábrán látható idealizált karakterisztika szerint alakítják ki. A bekövetkezõ ∆f = f1 -f0 < 0 eltérésre a ∆f-el arányos ∆Pm > 0 ,illetve ∆f > 0 esetén ∆Pm < 0 a válasz, mert ez a teljesítményegyensúly fo frekvencián történõ helyreállításának az

irányába hat. A Pm= 0 értékhez az füj , az ún. üresjárási frekvencia rendelhetõ és innen a Pmmax eléréséig ∆fR frekvenciacsökkenés szükséges A P(f) karakterisztika átlagos arányossága, az ún. statizmus, az R =100 ∆fR/fnévl [ % ] (4-12) szerint definiálható. Ez például R = 5 % esetén azt jelenti, hogy a ∆Pm = 100 % (vagyis Pmax értékû) teljesítmény változáshoz ∆f = 5 % (fnévl = 50 Hz esetén ∆f = 2.5 Hz) szükséges A karakterisztika meredekségét a Kg = - ∆Pm /∆f = - Pmmax / ∆fR [MW/Hz] (4-13) adja meg. A (4-12) és a (4-13) egybevetésébõl adódik, hogy kisebb statizmus nagyobb meredekséget eredményez, illetve csak a Pm0 alapjelre történõ gépegység-szabályozás a Kg = 0val érhetõ el. Az f1 állandósult frekvencián a generátor kapcson kiadott teljesítmény Pg1 = Pm1 = Pm0 - Kg (f1 - f0) (4-14) 4.32 Primer és szekunder szabályozás Az f0 = fnévl frekvencián a teljesítményegyensúlyt, ha az egyszerûsítés

érdekében a hálózati veszteségeket is fogyasztásként kezeljük, a PG0 = PM0 =PF0 (4-15) összefüggés írja le. A P-f szabályozás "elvi mûködését" egyszerû eset kapcsán elemezzük. Tételezzük fel, hogy egyetlen generátor táplál egy fogyasztói területet. A fogyasztói igény, amely az f0 frekvencián PF0, megnövekszik a PF 0 értékre. 77 A 4-3a. ábra a frekvencia változásra érzéketlen turbina szabályozó esetét mutatja A megnövekedett fogyasztói terhelés és a változatlan Pm0 miatt a frekvencia az f1 < f0 értéken állandósul, és az f1-et csak a fogyasztói KF frekvencia tényezõ szabja meg. A frekvencia esés csak a Pm0 = PF0 alapjel növelésével mérsékelhetõ, és az f = fo visszaállításához a szabályozási alapjelet Pm 0 = PF 0 értékre kell állítani. A 4-3b ábrán láthatjuk, hogy a fordulatszám-szabályozóval rendelkezõ turbina a PF 0 > PF0 miatt bekövetkezõ frekvencia csökkenésre automatikusan

többlet teljesítményt szolgáltat, és a kialakuló f1 frekvenciát döntõen a turbina P(f) karakterisztikája határozza meg.Ezt a közvetlen szabályozási mechanizmust primer szabályozásnak, a P(f) karakterisztikát pedig primer szabályozási karakterisztikának nevezik. 4-3. ábra A P-f szabályozás szemléltetése A ∆f = f1 - f0 frekvenciaváltozás hatására a (4-11) és (4-14) alkalmazásával P1 = P0 + KF ∆f és Pm1 = Pm0 - Kg ∆f írható és az f 1 frekvencián létrejött Pm1 = P1 egyensúly, valamint a Pm0 = PF0 alapján a frekvenciaváltozást a ∆f = - ( PF 0 - PF0 ) / (Kg+ KF ) (4-16) szerint számíthatjuk. Az f1 azonban kisebb, mint az f0 , és ezt a primer szabályozás már nem szünteti meg. Az f = f0 eléréséhez már csak ∆Pm = PF 0 - Pm1 többletre van szükség, de ez csak a Pm 0 = PF 0 alapjel állítással érhetõ el. A szükséges ∆Pm0 = Pm 0 − Pm 0 alapjel változtatás a (4-16) felhasználásával a 78 ∆Pm0= - (Kg + KF)

∆f (4-17) összefüggésbõl adódik. Ez a másodikként ható és az alapjelet módosító szabályozás a szekunder szabályozás. A Pm növekedésekor a primer szabályozás fokozatosan kiiktatódik, ezt a 4-3b ábrán a karakterisztika "jobbra csúsztatásával" jelenítettük meg. Látható, hogy a Pm = 0 -hoz rendelt füj is eltolódik, de a statizmust jellemzõ ∆fR változatlan marad. Hagyományos fordulatszámszabályozó esetében a szekunder szabályozást az füj változtatásával lehet megvalósítani (Látni fogjuk, hogy több generátoros rendszerben már nem ilyen egyértelmû az egy gépegységre jutó alapjel változtatás.) Abban az esetben, ha a fogyasztói igény meghaladja a forrás oldali teljesítõképességet (a 4-3b. ábrán PF" 0 > Pmmax ), vagyis már nincs szabályozási forgó tartalék, akkor a frekvenciát csak a fogyasztói KF tényezõ fogja meghatározni. Szélsõ esetben, ha csak f < fmin tudna létrejönni,

rendszer-összeomlás következhet be. Az automatikus, frekvencia függõ fogyasztói terhelés korlátozásnak (FTK) tehát rendszer mentõ feladata van. 4.33 Csereteljesítmény-frekvencia szabályozás Azonos fnévl frekvencián együttmûködõ (ún. szinkronjáró) rendszerek esetében a szabályozás az egymás közötti teljesítmény szállítások elõzetesen rögzített menetrendjének megtartására is kiterjed. A szabályozás feladatát az együttmûködésben résztvevõ valamely (pl A jelû) rendszer számára a P GA 0 + P IA0 = P FA 0 (4-18a) f = fo (4-18b) "célfüggvények" adják meg, ahol P GA 0 az A rendszer szükséges össztermelése, P IA0 az A rendszer menetrend szerinti import-export szaldója, P FA 0 az A rendszer összfogyasztása az adott idõpontban és a kívánt fofrekvencián. Természetesen minden energia rendszerben több erõmûvi gépegység van,mint amennyi az éppen aktuális vagy a várható legnagyobb fogyasztói igény

alapján a (4-18) figyelembe vételével szükséges lenne, mert számítani kell egyes gépegységek meghibásodására, termelésbõl való kiesésére vagy karbantartás miatti hiányára. A csúcsterhelésen kívüli idõszakokban pedig lényegesen nagyobb az erõmûvi teljesítõképesség, mint az igény. A rendszeren belül tehát sok lehetõségünk van annak megválasztására, hogy az fo frekvencián éppen szükséges P GA 0 = Σ P gA0i (4-19) termelést miként osztjuk szét az erõmûvek, illetve az egyes gépegységek között. Az egyes P Agoi , illetve P Amoi szabályozása, amely összhatásában a P FA 0 és a P IA0 idõbeni változásait hivatott követni, központi és automatikus irányítást igényel, mert a (4-19) feltétel teljesítéséhez sok szempontot kell figyelembe venni, amelyek közül a legfontosabbak: − erõmûvek (gépegységek) terhelhetõsége, szabályozhatósága, − szabályozási tartalékok fenntartása, − alkalmazkodás a teljesítmény

szállítás hálózati feltételeihez, 79 − törekvés a rendszer szintû költségminimumra. A központi irányítás a P IA és az f aktuális mérési értékére támaszkodva határozza meg a P GA 0 i alapjeleket (a termelési "célértékeket") a (4-18) követelmény teljesítéséhez, mert a rendszer összfogyasztása közvetlenül nem mérhetõ mennyiség. Az A rendszerben szükséges szabályozás meghatározásához legyen az import-export menetrendtõl való aktuális eltérés ∆P IA = P IA - P AI 0 , a minden rendszerben azonos frekvencia eltérés ∆f = f - f0 . Az A rendszernek az f0 -ra vonatkozó pillanatnyi fogyasztása legyen PFA0 , az éppen beállított termelési célértéke pedig P bG 0 . A (4-18) alkalmazásával követelményként a P GA 0 = P AI 0 + PFA0 (4-20a) fogalmazható meg. A jelenlegi állapotra az A rendszer teljesítmény-mérlege, amely figyelembe veszi a turbinák primer szabályozását és a fogyasztás frekvencia

függését a P bG 0 - K GA ∆f + P AI 0 + ∆ P AI 0 = PFA0 + K FA ∆f (4-20b) egyenlettel fejezhetõ ki, ahol A K GA = ΣK Gi A szükséges szabályozás (alapjel módosítás) a fenti két egyenletbõl meghatározható : P GA 0 - P bG 0 = ∆ P GA 0 = ∆P IA - (K GA + K FA ) ∆f (4-20c) A (4-20c) jobboldala az ún. területi szabályozási hiba A szabályozás célja ennek megszüntetése, illetve, ha ez zérus, akkor az A rendszer nem felelõs az eltérésekért. Rendszerközi összeköttetéssel nem rendelkezõ ("egyedül járó") villamosenergia rendszer esetében a ∆PI értelemszerûen zérus, és így az egy gépes esetre kapott (4-17) szabályozási egyenlet formailag azonos a (4-20c)-vel. A KA= K GA + K FA általában nem ismert pontosan, csak becsülhetõ, de a folyamatos szabályozás miatt a ∆f megszüntethetõ. Valamely A rendszer szabályozása irányulhat csak a P AI 0 menetrend megtartására, a KA = 0 értékadással. Az elmondottak

összegzéseként tekintsük át egy termelõ gépegység kiesése miatt bekövetkezõ hirtelen (mechanikai) teljesítmény hiány pótlásának energetikai folyamatát. Az üzemelõ gépegységek kezdetben a kinetikus energia csökkenése révén, a forgó tömegük (perdületük) arányában, majd a primer szabályozók mûködésbe lépésekor, a turbina P(f) karakterisztika MW/Hz meredekségek arányában adnak többletteljesítményt. Ez a folyamat autonóm módon zajlik le, és a hiányt az együttmûködõ rendszerek közelítõleg a forrásteljesítményük részarányában pótolják. Ez az "önmûködõ" kisegítés a kooperáció egyik nagy elõnye A frekvencia és a csereteljesítmény helyreállítását a szekunder szabályozásnak kell elvégeznie. 4.4 A teljesítményátvitel stabilitási korlátja Az erõmûvekben elõállított teljesítmény a villamosenergia-hálózat révén jut el a fogyasztókhoz. A hálózaton keresztül szállítható teljesítmény

azonban nem lehet tetszõleges. Korlátot ad az egyes csomópontok közötti hálózati elemek ún. tartósáramú terhelhetõsége, a feszültségek és az átviteli veszteségek elfogadható értéken tartása és határt jelent az állandósult üzemállapotnak mint "munkapontnak" a kialakulási lehetõsége. A következõkben elvi átviteli típusmodellek segítségével vizsgáljuk az üzemállapot munkapontmegtartó képességét (stabilitását) és az átvihetõ teljesítmény határértékét. A modelleket A és B 80 pontok közötti átvitelre vonatkozóan vesszük fel. Elõször egy fogyasztói terület ellátásának esetét vizsgáljuk, a teljesítményigény és a fogyasztó oldali feszültség alakulásának összefüggésében (feszültség stabilitás), majd a szabályozható feszültségek közötti átvitelt elemezzük (szinkron stabilitás). Ezen modellvizsgálatok az összefüggések fizikájának a megértését segítik, de nem tekinthetõk a

tényleges teljesítményátvitelek egzakt tárgyalásának. A háromfázisú energiaátvitelt a fázisokra szimmetrikus, állandósult üzemállapotot leíró modelleket képezzük le, az áramköri mennyiségeket (U, I, R, X, P., Q) viszonylagos egységben adottnak értelmezzük. 4.41 Feszültségstabilitás Egy fogyasztói terület ellátásának elvi modelljénél feltételezzük, hogy az A tápponton a teljesítményforrás EA állandó feszültséget tart, a B pontról vételezõ fogyasztó csak PF hatásos teljesítményt vesz fel (QF = 0) és ez a PF nem függ a B pont feszültségétõl. A B oldalon kivett teljesítményre tehát P = PF és Q = 0 írható. Az átviteli áramút jellege szerint két szélsõ esetet vehetünk fel: az A és B között R ellenállás,vagy X induktív reaktancia képezi a modellt. 4.411 Átvitel R ellenálláson Az R ellenálláson keresztül történõ átvitel a 0.4 kV-os hálózat jellegzetessége A modellt a 4-4a ábra, az áram- és

feszültségfazorokat a 4-4b. ábra mutatja A B pont U feszültségére a P = UI és U = EA - RI illetve U2 - EAU + RP = 0 alapján az U = EA - RP/U , összefüggés írható fel. Az U -ra adódó másodfokú egyenlet megoldása U = ( EA ± D ) / 2 (4-21) ahol D = E 2A - 4RP Az U, illetve az U/EA alakulását a P függvényében a 4-4c. ábra mutatja A másodfokú egyenletbõl következik, hogy valamely P teljesítményhez két U feszültség számítható. (Egyszerû illusztráló számpéldaként az EA= 10 V, R = 2 ohm és P = 8 W esetében U1= 8 V és I1= 1 A, illetve U2= 2 V és I2= 4 A.) Fizikailag csak a nagyobb feszültséget és így a kisebb áramot adó állapot jön létre (az ábrán a PF1 teljesítményhez az 1. pont), a kisebb feszültség és nagyobb áram (2. pont) csak matematikai megoldás Ennek oka az, hogy egy áramkörben mindig a minimális veszteség szerint alakul ki az árameloszlás. Magyarázatot adhatunk azonban a feltételezett munkapont

stabilitásának vizsgálatával is. 81 4-4. ábra Az R ellenálláson történõ átvitel feszültségstabilitása Tételezzünk fel egy pillanatszerû és gyorsan megszûnõ EA változást. Az átvitel U(P) karakterisztikáján az 1. pontból kiindulva egy ∆U < 0 zavarás hatására a kisebb U-hoz P > PF1 tartozik, tehát az áram nagyobb, mint kellene. A csökkentett áram nagyobb U-t eredményez, és így visszajutunk a kiinduló munkapontba. A 2 pont esetében U < U2 és P < PF1 irányban lesz az elmozdulás, tehát az áram növelésére van szükség, ami viszont további U csökkenéshez vezet. A gerjedõ folyamat a feszültség összeomlásához, U = 0 kialakulásához vezet (egy ∆U >0 zavarás a 2. pontból az 1-be történõ "átlendülést" eredményez), tehát a 2 nem stabil pont A vizsgált átvitelre általános formában a dP / dU < 0 ( vagy dU / dP < 0 ) (4-22) adja meg a munkapont feszültségstabilitásának feltételét. Az

átvihetõ legnagyobb P teljesítmény a (4-21) D = 0 határesetébõl adódik, mivel az U nem lehet negatív. Ez a maximális teljesítmény a Pmax = E 2A / 4R (4-23) szerint számítható. A PF = Pmax stabilitási határesetben Umin =05 EA, ami fogyasztó oldali feszültségnek elfogadhatatlan, mert a tápponti EA nem lehet tetszõlegesen nagy. Ezen szélsõ esetben az átvitel az Imax = Pmax / Umin = EA / 2R (4-24) áramerõsséggel történik, ami a B pont I zB = EA / R rövidzárlati áramának a fele, az átviteli RI2 veszteség pedig ugyanakkora, mint a fogyasztó által felvett teljesítmény. Megemlítjük, hogy PF = Pmax a "gyengeáramú" technikában az optimális illesztésnek felel meg, de az "erõsáramú" teljesítményátvitelnél ez már az elméleti határ, mert P > Pmax nem vihetõ át, illetve egy ilyen kényszer létrejötte feszültség instabilitást eredményez. A gyakorlati esetekre azonban az I << Iz a jellemzõ, és ez

összhangban van az átvitel tartós terhelhetõségével és a fogyasztói oldal U = Unévl igényével. Egy jól méretezett átvitel munkapontjai az U(P) karakterisztika U > 0.9 EA tartományában vannak A (4-21) és a (4-23) összefüggésekbõl számítható, hogy ez a PF < 0.36 Pmax esetén teljesül 82 4.412 Átvitel X reaktancián Az X induktív reaktancián történõ teljesítményátvitel a 220 kV-os vagy ennél nagyobb feszültségû hálózatokra jellemzõ. A 4-5a ábra a modellt, a 4-5b ábra az U-I fazorábrát mutatja Az ábra alapján E 2A = U2 + (XI )2 , ahol I=P/U A V = U2 bevezetésével V -re az alábbi másodfokú egyenletet kapjuk V2 - E 2A V + (XP)2 = 0 A B pont U feszültsége ennek U2= V = (E 2A ± D)/2 (4-25) megoldásával határozható meg, ahol D = E 4A - 4 (XP)2. Az átvitel U(P) jelleggörbéjét a 4-5c ábra mutatja. A PF1 teljesítményhez az 1 lesz a munkapont, mert itt teljesül a feszültség stabilitás dP / dU < 0 feltétele.

Az átvihetõ legnagyobb P teljesítmény a D = 0 értékhez tartozóan : Pmax = E 2A / 2X (4-26) A PF = Pmax határesetben Umin = EA / 2 és Imax = EA / ( 2 X) 4-5. ábra Az X reaktancián történõ átvitel feszültségstabilitása A fogyasztói csatlakozási B pont "erõsségét" a zárlati áram, ill. a zárlati teljesítmény nagysága jellemzi, ami a felvett modellben az I Bz = EA / X és S zB =Unévl I Bz szerint számítható. Igy az átviteli képesség (az U = Unévl = EA közelítõ feltevéssel) a zárlati teljesítménnyel is kifejezhetõ : Pmax = S zB / 2 (4-27) Most is mondhatjuk, hogy az elfogadható üzemi tartományhoz legalább 83 U > 0.9 EA igényünk van és Q = 0 esetén ehhez a (4-25) és (4-26) alapján a PF < 0.78 Pmax , illetve PF < 0.39 Sz engedhetõ meg. Ennek kihasználásakor csak 022 Pmax tartalékunk marad, ami esetleg veszélyeztetheti az átvitel biztonságát. Erre mutat elvi példát a 4-6 ábra Tételezzük

fel, hogy az átvitel két párhuzamos, egyenként Xa reaktanciájú vezetéken történik. A párhuzamos átvitelnél X = Xa / 2 és így P2max = E 2A / Xa , az egyik vezeték hiánya esetén pedig X = Xa és ezért P1max = P2max / 2. Tegyük fel, hogy az áramterhelhetõség megengedi a PF > P1max fogyasztói igény ellátását (a 46b. ábrán P=PF2) és ezért az ábra szerinti 2 munkapontban üzemelünk Bekövetkezhet azonban az egyik vezeték kikapcsolódása, ami az új munkapont hiánya miatt feszültség-összeomlást okoz. A PF1 < P1max esetben ez a veszély nem fenyeget (az ábrán az 1. munkapont), ezért a biztonságos ellátás érdekében az átviteli út esetleges "gyengülését" mindig figyelembe kell venni. A gyakorlatban a nagy távolságú, halmozódó zavarok következtében sugarasodó átviteleknél alakulhat ki a feszültség instabilitás veszélye. 4-6. ábra Feszültségstabilitás a kettõs vezetéken történõ átvitelnél

Megjegyezzük, hogy az EA és az U feszültségfazorok közötti δ szögelfordulás P = Pmax esetén δmax = 45o, az U = 0.9 EA esethez tartozó P = 078 Pmax átvitelnél pedig δ = 258o Az eddigiekben feltételeztük, hogy a fogyasztó nem igényel meddõ teljesítményt. Ha a 4-5a ábra szerinti modellben a B pontról vételezõ fogyasztó QF > 0 meddõ teljesítményt vesz fel, akkor az U-I fazorábra a 4-7a. ábra szerint alakul A feszültségekre az ábra alapján felírható egyenlet : E 2A = (U + XIQ)2 + (XIP.)2 (4-28) ahol az áramok 84 IP = P / U és IQ = Q / U a P = PF és a Q = QF teljesítménnyel és az U feszültséggel kifejezve. A stabilitási határteljesítmény (a levezetés mellõzésével) a Pmax ( tgϕ + 1 + ( tgϕ ) 2 = E 2A / 2X (4-29) összefüggésbõl határozható meg, ahol tgϕ = QF / PF. Látható, hogy a QF > 0 csökkenti, a QF < 0 pedig növeli a QF = 0 esethez tartozó és az E 2A / 2X szerint számítható Pmax határértéket.

Az U(P) karakterisztikák alakulását a 4-7b. ábra szemlélteti 4-7. ábra A meddõteljesítmény-vételezés hatása az U(P) jelleggörbére 4.42 Statikus szinkron stabilitás A szabályozható feszültségek közötti átvitel modelljét a 4-8a. ábra szerint vettük fel Az átvitel az A és B közötti X induktív reaktancián történik. A B pont U feszültségét a "helyi" forrás állandó, U = EB értéken képes tartani. A B oldali fogyasztó csak PF hatásos teljesítményt vesz fel (QF = 0) és tételezzük fel, hogy ezt csak az A oldali forrás állítja elõ, ezért az átvitel B oldalára megérkezõ hatásos teljesítményre a P = PF egyenlõségnek kell teljesülnie. A B csomópontban a meddõ teljesítményekre (az ábra jelöléseivel) a Q + QB = 0 írható, mert QF = 0. 4.421 Állandó feszültségre szabályozás Abban az esetben, amikor a QB = 0 (és ezért Q = 0), az U-I fazorábra a 4-8b. ábra szerint rajzolható meg. Láthatjuk, hogy ekkor EB <

EA Az U = EB = EA szabályozási esetet a 4-8c. ábra mutatja Az X induktív reaktancián folyó I áram az E A = E B + jXI összefüggésbõl határozható meg. A fogyasztó felé folyó I F áram az U feszültséggel azonos fázishelyzetû, mert QF = 0. Ezért a B pontra felírható IF = I + IB 85 csomóponti egyenletbõl és a P = PF = U IF kapcsolatból következik, hogy az IB áram 90o-al késik az U (ill. EB) feszültséghez képest Ez azt jelenti, hogy az EB feszültségû forrás QB = EB IB meddõ teljesítményt táplál be a B pontba. Mondhatjuk tehát, hogy az U értékének az U = EA -ra történõ szabályozása meddõteljesítmény-betáplálást igényel a B ponton, illetve az U = EA csak akkor érhetõ el, ha van "elegendõ" QB forrásunk. A 4-8a ábra szerinti átvitel XI2 meddõteljesítmény-veszteséggel jár együtt (ezt a jelen példában az A és B oldali forrás az EA = EB esetén egyenlõ mértékben fedezi). A fazorábra alapján belátható,

hogy a növekvõ PF (és így a növekvõ P) az EA és az EB (és így az U) állandó értéken tartásához az A és B oldalon egyaránt növekedõ Q betáplálást von maga után. A feszültségtartási képesség tehát szorosan összefügg a rendelkezésre álló források terhelhetõségével. 4.442Az átvitel statikus stabilitása Az IP. = IF jelöléssel a B pontba érkezõ P = PF teljesítmény a P = EB IP. módon fejezhetõ ki. A 4-8b és 4-8c ábrákhoz egyaránt írhatjuk, hogy az EA és az EB közötti δ szög alapján X IP. = EA sin δ Ezekkel az átvitt P. teljesítmény a δ függvényében a P. = ( EAEB / X ) sin δ (4-30) kifejezéssel adható meg. Ebbõl adódik, hogy az állandó feszültségek között átvihetõ legnagyobb teljesítmény (a sin δ = 1 esetén): Pmax = EAEB / X (4-31a) és ekkor δ = δmax = 90o (4-31b) 86 4-8. ábra Modell és P(δ) karakterisztika a szinkron stabilitáshoz Az átvitel (4-30) szerinti P(δ) karakterisztikáját a 4-8d.

ábra mutatja A szinkron kapcsolatban levõ források feszültségei (esetünkben EA és EB) közötti δ szög az átvitt P függvényében növekszik. Valamely P=P1 átvitelhez azonban két δ szög is tartozik (az ábrán δ1, ill δ2), de ezek közül csak a kisebbik a stabil munkapont. A P1 villamos teljesítményt az A forrás szolgáltatja és ehhez energetikailag Pm1 mechanikai teljesítmény rendelhetõ. Ha valamilyen kis zavarás hatására a δ1 munkapontból (az ábrán az 1. pont) a δ > δ1 irányban mozdulunk el a P(δ) karakterisztikán, akkor P > P1 lesz az átvitt villamos teljesítmény. Ez a P > Pm1 az A oldali, esetünkben az EA feszültségû forrás forgását fékezi és ez a δ csökkenéséhez vezet, és a pillanatszerû zavarás megszüntével visszatérünk a kiinduló munkapontba. A δ2-höz tartozó 2 pont nem stabil, mert a δ > δ2 esetén P < Pm1 és ez a δ további növekedését okozza, amely az EA és az EB közötti szinkronkapcsolat

megbomlását idézi elõ. A statikus szinkron stabilitás feltételét általános formában a dP /dδ > 0 (4-32) fejezi ki. A (4-30) és a (4-31) alapján dP /dδ = Pmax cos δ (4-33) és ezt szinkronozó teljesítménynek nevezzük. A P > Pmax nem jöhet létre, illetve ilyen átviteli kényszer kialakulása a statikus szinkron stabilitás megbomlását okozza (esetünkben az A oldali forrás kiesik a szinkron kapcsolatból). A (4-26) és a (4-31) egybevetésébõl látszik, hogy EB= EA esetén az állandó feszültségû pontok között átvihetõ Pmax kétszerese a passzív fogyasztóhoz szállítható legnagyobb teljesítménynek, vagyis P δmax = 2 P Umax Az átvitelnél elegendõ stabilitási tartalékot kell hagyni, mert az átviteli út villamos gyengülése (X növekedése) mindig bekövetkezhet. Modellünkben a B oldali forrás kiesése az U = EB állandóság 87 megszûnését hozza magával, a továbbiakban az átvitel erõsségét a P Umax jellemzi és

átviteli tartalék hiányában feszültséginstabilitás állhat elõ. A Pmax = E2/X -bõl láthatjuk, hogy nagy teljesítmények szállításához nagyobb feszültségszintre és az egyenértékû X-et csökkentõ szoros hálózati kapcsolatokra van szükség. A nagy távolságú, nemzetközi teljesítményszállításokat általában nem az áramterhelhetõség, hanem a stabilitási követelmények korlátozzák. Jelen fejezetben csak a két csomópont közötti átvitel statikus stabilitását elemeztük. A rendszer zavartûrõ képességét, a zavarások által kiváltott átmeneti folyamatokat nemcsak a megelõzõ statikus állapot és a zavar jellege, hanem az automatikus szabályozások dinamikája is nagymértékben befolyásolja, de ezzel a területtel most nem foglalkoztunk. 88 5. A villamosenergia-rendszer védelme, automatikái Ha a villamosenergia-rendszert külsô vagy belsô zavaró hatások érik, a rendszer nem képes maradéktalanul betölteni alapvetô

feladatát, a fogyasztók minôségi villamos energiával való folyamatos ellátását, súlyosabb esetben veszélybe kerülnek a folyamatban résztvevô elemek is. A védelmek és automatikák feladata az, hogy zavarok esetén a lehetô leggyorsabban megszüntessék a káros hatásokat, a rendszerbôl a többi elem mûködésének megzavarása nélkül kikapcsolják a meghibásodott részt, és minél elôbb visszaállítsák a normális üzemet. 5.1 A villamosenergia-rendszer hibái A rendszer legdurvább hibái a zárlatok. Hatásukra a generátorok által termelt energia nem jut el a fogyasztókhoz, hanem a legkisebb impedanciájú utat követve a zárlat helyére koncentrálódik. A zárlati áram útjába esô villamos berendezések dinamikus és termikus szempontból túlterhelôdnek, hosszabb idô esetén maradó károsodást szenvednének. A hibahelyen kialakuló érintési és lépésfeszültség, a zárlati ív romboló hatása emberéletet és anyagi javakat egyaránt

veszélyeztet. A hálózaton a zárlat idején a hibahelytôl nagyobb távolságban is csökken a feszültség, zavarva ezzel a fogyasztók, fôként a motorok mûködését. A nagyfeszültségû hálózat zárlatai megbontják a normális villamos kapcsolatot az energiarendszer fôbb részei között, ami a rendszer stabilitásának megbomlásához, tartós üzemzavarhoz vezethet. A rendkívüli jelentôsége miatt e fejezet további részei a zárlatvédelem problémáival és megoldási módjaival foglalkoznak, a teljesség érdekében azonban tekintsük most át az energiarendszer más hibáit is! A túlterhelések hatásukban hasonlóak a zárlatokhoz, de mértékükben kisebbek azoknál. Az ellenük való védekezés módszerei együtt kezelhetôk a zárlatvédelemmel. A szakadások hatása a háromfázisú energiarendszerben részben aszimmetrikus üzemállapot kialakulása, részben energiaszállítási utak kiesése lehet. Ezek következtében fogyasztók maradhatnak

energiaellátás nélkül, ép hálózati elemek túlterhelôdhetnek, veszélybe kerülhet a rendszer stabilitása. Ilyen esetekben a védelmek és automatikák feladata a hálózat ép része biztonságos üzemének megôrzése az aszimmetria megszüntetésével, tartalék energiaszállítási út bekapcsolásával, terhelés csökkentésével. Az energiarendszer más jellegû, védekezést igénylô zavarai a túlfeszültségek. Ezeket két fô csoportba lehet osztani: a belsô (vagyis magában a hálózatban keletkezô) és külsô (fôként légköri eredetû) túlfeszültségekre. Belsô túlfeszültségeket okozhatnak kapcsolási mûveletek, zárlatok, és felléphetnek rezonancia jelenségek is. Ilyenkor hirtelen felszabadulnak a hálózat energiatárolóiban (induktivitásokban, kapacitásokban) felhalmozódott energiák, és egyes hálózati elemekben rövid idejû, vagy több hálózati perióduson át tartó feszültségemelkedést okozhatnak. Ezek következtében gyorsul a

szigetelések öregedése, esetenként közvetlen átívelések, a szilárd és folyékony szigetelôanyagokban pedig átütések jöhetnek létre, ellenük tehát védekezni kell. A légköri eredetû túlfeszültségek közül a villámcsapások okozzák a legnagyobb problémát. A nagy kiterjedésû szabadvezeték hálózat elsôdleges villámvédelmét a védôvezetôk felszerelése jelenti, ezek sem nyújthatnak azonban teljes biztonságot a visszacsapások jelensége miatt. (Ilyenkor a villám földelt elembe - oszlopba, védôvezetôbe - csap, és a nagy csúcsértékû villámáram az impedanciákon olyan feszültségemelkedést okoz, hogy létrejön az átívelés a megemelkedett potenciálú földelt elem és a fázisvezetô között.) Akár légköri, akár belsô túlfeszültség jön létre, a hatás a megoszló paraméterû távvezetéken hullámjelenségként terjed. A hálózat úgynevezett diszkontinuitási pontjain reflexiók jönnek létre, amelyek fokozhatják a

túlfeszültségek káros hatásait. Az ilyen jelenségek számításával, modellezésével e jegyzet szûk keretein belül nem 89 foglalkozhatunk. Az ellenük való védekezés módszereit is csak röviden tudjuk érinteni Alapvetô, hogy a hálózat legkényesebb elemeinek (forgógépek, transzformátorok, mérôváltók, stb.) szigetelési szintjét úgy kell megválasztani, hogy azok az elkerülhetetlen túlfeszültségeknek ellenálljanak. Másik fô módszer a túlfeszültségvédelmi eszközök (szikraközök, oltócsövek, túlfeszültséglevezetôk és fémoxidos túlfeszültségkorlátozók) alkalmazása. Ezeknek közös lényege az, hogy mesterségesen hozunk létre túlfeszültség szempontjából gyenge pontokat a hálózaton azért, hogy a kényes elemeket nagy biztonsággal védeni tudjuk. A szigetelési szintek és a túlfeszültségvédelmi eszközök megszólalási feszültségeinek megfelelô összehangolása - a szigetelési szintek koordinálása - a villamos

energetika fontos szakterülete. A villamosenergia-rendszer hibái között a frekvencia-rendellenességek a termelt és a fogyasztott energia egyensúly megbomlásának következményei. Az ilyen jellegû, hirtelen bekövetkezô zavarok ellen védekezni kell, különben bekövetkezhet a rendszer lavinaszerû szétbomlása, leállása is. A védelmi eszközök figyelik a rendszer frekvenciáját és a frekvenciaváltozás sebességét. Gyors frekvenciacsökkenéskor a stabilitás megôrzésének egyetlen módszere az, ha automatikusan kikapcsolunk kevésbé fontos fogyasztókat olyan mértékben, hogy az energiaegyensúly és vele a megkívánt hálózati frekvencia helyreálljon. Zavarnak tekintjük azokat a jelenségeket is, amikor a feszültség illetve az áram szinuszos idôfüggvénye torzul. Az ilyen rendellenességeket legtöbbször nemlineáris fogyasztók (nagyteljesítményû egyenirányító berendezések, ívkemencék, stb.) okozzák Az általuk termelt felharmonikusok

illetve kisfrekvenciás feszültségingadozások, a flicker hatásai ellen a vétlen fogyasztókat védeni kell. A védekezés alapvetô módszere olyan szûrôberendezések felszerelése, amelyek a keletkezés helyéhez közel söntutat jelentenek a felharmonikus áramok számára. Ezeknek méretezési, üzemeltetési problémáival ebben az áttekintésben nem foglalkozhatunk. 5.2 Zárlatvédelem 5.21 A védelmekkel és védelmi rendszerekkel szemben támasztott követelmények A korszerû védelmek, illetve védelmi rendszerek megfelelô mûködését több, egymással némiképp ellentmondásban levô követelmény teljesítésével lehet biztosítani. Ezek: A gyorsaság, amely alapvetôen szükséges ahhoz, hogy a zárlat okozta károk és veszélyek csökkenthetôk legyenek. A korszerû, gyors védelmek 1-2 hálózati perióduson belüli mûködésre képesek. Ennek a biztosítása nem egyszerû feladat, hiszen az érzékelt feszültség és áram idôfüggvényeket éppen ebben

az idôszakban erôsen torzítják a zárlati tranziens jelenségek. A zárlathárítás idejét növeli még az az idôtartam, amely alatt a megszakítók a kioldó parancsot végrehajtják. A szelektivitás (kiválasztó képesség), amely azt jelenti, hogy a védelmeknek pontosan érzékelniük kell a hiba helyét, nagyfeszültségû hálózaton a hiba fajtáját (FN, 2F, stb.) is, és csak a meghibásodott védelmi egységet szabad kikapcsolni. ìgy a hálózat többi része zavartalanul üzemben maradhat. A szelektivitást a következô módszerekkel lehet biztosítani: − az idôkésleltetések megfelelôen koordinált beállításával (pl. késleltetett túláramvédelmek), − az érzékelô elemek koordinált beállításával (pl. impedancialépcsôzés távolsági védelmeknél), − a védelem elvébôl adódó szelektivitás kihasználásával (pl. differenciál elvû védelmek), − különleges reteszelô kiegészítô elemek alkalmazásával (pl. lengészár a

távolsági védelmeknél) 90 Az érzékenység azt jelenti, hogy a védelmeknek a védett szakaszon elôforduló minden meghibásodást érzékelniük kell, figyelembe véve az összes lehetséges zárlatfajtát (háromfázisú, kétfázisú rövidzárlat, kétfázisú ill. egyfázisú földzárlat vagy földrövidzárlat, kettôs földzárlat), és helyesen kell mûködniük különbözô nagyságú hibahelyi impedanciák és egymástól eltérô hálózati üzemállapotok között is. Az üzembiztonság fogalma egyrészt magában foglalja azt, hogy a védelemnek zárlat esetén biztosan mûködnie kell, másrészt viszont nem szabad kioldást kezdeményezni akkor, ha nincs zárlat, illetve nem szabad idegen területen bekövetkezett zárlat esetén más védelmek helyett feleslegesen mûködnie. Ugyanakkor biztosítani kell a védelmi tartalékolást is, ami azt jelenti, hogy egy védelem vagy a mûködtetett megszakító meghibásodása esetén a zárlat megszüntetésérôl

más védelemnek is gondoskodnia kell. Ilyenkor természetesen a szelektivitás vagy a gyorsaság követelménye csak másodlagos lehet. A zavarérzéketlenség követelménye az elektronikus és mikroprocesszoros védelmek kapcsán merült fel, és azt jelenti, hogy a készülék mûködését külsô elektromágneses és egyéb zavarok nem szabad, hogy befolyásolják. További követelmény az egyszerûség, amely azt a gyakorlati tapasztalatot foglalja magában, hogy bonyolult rendszerek nagyobb valószínûséggel hibásodhatnak meg. A követelmény teljesítése érdekében ritkán elôforduló üzemállapotokat és kis valószínûségû hibákat a védelem tervezésénél figyelmen kívül hagyhatunk. A gazdaságosság követelményének teljesítésekor arra kell figyelemmel lenni, hogy a védelem költségeinek (ár, üzemeltetési költségek, karbantartási igény stb.) összhangban kell lenni a védett berendezés árával, a hiányzó villamos energia miatti

termeléskiesés okozta károkkal, illetve a balesetveszély kockázatával is. 5.22 A zárlatérzékelés alapjai A villamosenergia-rendszer védelmei közvetlenül a feszültséget és az áramot, mint fizikai mennyiségeket érzékelik. A közép- és nagyfeszültségû hálózaton feszültség- és áramváltók transzformálják a kilovolt illetve kiloamper nagyságrendû értékekeket a védelmek számára megengedhetô szintekre. A mérôváltók feladata még az is, hogy a szekunder mérôköröket biztonságosan leválasszák a primer hálózatról. A védelmek nagy pontosságú mérési igénye szigorú követelményeket támaszt a mérôváltókkal szemben, amelyeknek teljesítése - figyelembe véve azt, hogy az áram igen széles tartományban változik egy adott hálózati elem üresjárási árama és a nagy zárlati áramok között, valamint azt, hogy a zárlati idôfüggvények lecsengô egyenkomponensét és nagyfrekvenciás összetevôit is helyesen kell leképezni

- nem egyszerû feladat. Ezért védelmek tervezésénél a mérôváltók kiválasztását nagy gonddal kell elvégezni Zárlatok alkalmával a villamos hálózaton jelentôs változások következnek be. Az áram értéke megnô, a feszültség általában csökken a normál üzemi értékhez képest, megváltozik az egymáshoz képesti fázisszögük is. Ennek kapcsán megváltozik a hatásos és meddô teljesítmény áramlás, aszimmetrikus zárlatok esetén negatív- és zérus sorrendû komponensek lépnek fel, a feszültség és áram hányadosaként más impedanciát lehet mérni, stb. A védelmek feladata a lehetô legrövidebb idôn belül megállapítani azt, hogy a zárlat a védett elemen lépett-e fel, és a döntésnek megfelelôen kikapcsolási parancsot adni a megszakítónak. A hagyományos védelmi koncepció szerinti zárlatérzékelés figyelmen kívül hagyja az elektromágneses tranziens jelenségeket, és az 50 Hz-es összetevô vektorokat veszi csak

figyelembe. (Az elhanyagolásokból és az adatok pontatlanságából eredô bizonytalanságokat megfelelô biztonsági tényezôk alkalmazásával vesszük figyelembe.) Ennek megfelelôen a 91 védelmek beállítási számításaiban a hagyományos szimmetrikus összetevô módszer alkalmazható, ahol a hálózati elemek impedanciáit a tranziens értékeivel kell figyelembe venni. Az egyetlen villamos mennyiséget érzékelô védelmekben, mint például a túláramvédelem esetén, az áram effektív értéke a beállítási érték. A védelem mûködésének feltétele az, hogy az áram meghaladja ezt az értéket. Hasonlóan mûködik a feszültségcsökkenési védelem, itt azonban a beállítási értéknél kisebb effektív érték a megszólalás feltétele. Az érzékelt feszültség- és áramértékekbôl a védelem további villamos mennyiségeket származtathat. Ilyen lehet például a két alapmennyiség hányadosaként nyerhetô impedancia, amely zárlat esetén a

zárlati hurok impedanciájának felel meg. A háromfázisú feszültség- illetve áramvektorok zárlatfajtától függô felhasználásával nyerhetôk olyan impedanciák, amelyek közvetlenül a védelem felszerelési helye és a zárlati hely közötti távolsággal arányosak. Ez a hurkolt nagyfeszültségû hálózatokon alapvédelemként alkalmazott távolsági védelmek érzékelési elve. Az alapmennyiségekbôl származtatható további jellemzôk, például a hatásos vagy a meddô teljesítmény nagysága vagy iránya, esetenként a teljesítménytényezô is lehet a védelem mûködését meghatározó mennyiség. Egyszerû módon szûrhetôk ki a háromfázisú feszültségek és áramok szimmetrikus összetevôi, amelyek a védelmek érzékelésében fontos kiegészítô információkat jelentenek. Egy igen egyszerû származtatott mennyiség a védendô objektumba (pl transzformátorba) befolyó és onnan kifolyó áramok különbségének meghatározása, ami az

úgynevezett különbözeti védelmek zárlatérzékelési módszere. A feszültségek idôfüggvényébôl meghatározható a rendszer frekvenciája és annak változási sebessége is. A frekvenciafüggô terheléskorlátozás, ami a rendszer energiaegyensúlyának megôrzésében alapvetô szerepet játszik, ezen mennyiségek figyelésén alapul. Látható tehát, hogy az érzékelési lehetôségek széles skálán mozognak. Ahhoz, hogy a megfelelô védelmi elvet meghatározhassuk, részletesen ismerni kell a villamosenergia-rendszer felépítését, mûködését, mûszaki adatait, és nem utolsó sorban a zárlat következtében lezajló folyamatokat is. A védelmi rendszer megtervezése e mûszaki és a gazdasági lehetôségek közötti optimalizálást is jelenti. 5.23 A zárlatvédelmi készülékek felépítése A legegyszerûbb zárlatvédelmi készülék a kisfeszültségen gyakran alkalmazott olvadó biztosító, ami egy szándékosan legyengített pont az

energiaáramlás útjában. Közismertek a kisfogyasztók, háztartási készülékek és vezetékek túlterhelés- és zárlatvédelmét is szolgáló "kismegszakítók", amelyben túlterhelés esetén ikerfémes hôkioldó, zárlat esetén mágneses kioldó kapcsol ki. Ezekkel szemben a közép- és nagyfeszültségû hálózatokon a zárlatvédelmet az ilyen primer készülékek helyett szekunder relék biztosítják. A villamos hálózatokon jelenleg a szekunder reléknek három generációja is megtalálható. A legrégibb az elektromechanikus relék csoportja, amelyek alapvetô jellemzôje, hogy a bemenô villamos mennyiségeket mechanikai mennyiségekké (erô, elmozdulás, nyomaték, elfordulás) alakítják. Lehetnek állandó mágnesû, elektromágneses, indukciós, elektrodinamikus és hôhatáson alapuló készülékek. Hátrányuk a mozgó alkatrészek költséges megmunkálása, a kopásból, szennyezôdésbôl eredô pontatlanság, a fokozott karbantartási

igény. Tekintettel arra, hogy a mûködéshez szükséges energiát a mérôváltókból veszik, ezért jelentôs terhelést jelentenek számukra. Az utóbbi évtizedekben az elektronikus felépítésû szekunder relék gyors terjedését figyelhettük meg. Ezeknél automatikusan megszûnnek az imént felsorolt hátrányok, az alkalmazott elektronikus áramkörök új mérési elvek alkalmazását, nagyobb pontosságot, automatizált 92 gyártást tesznek lehetôvé. Ugyanakkor alkalmazásuk új problémák megoldását tette szükségessé Ezek: a szükséges kiegészítô energiaforrás biztosítása és az érzékeny elektronikus alkatrészek és áramkörök fokozott zavarérzékenysége. Napjainkban születnek a védelmek harmadik generációjaként a mikroprocesszoros készülékek. Ezekben a védelmekben a mûködést a memóriában tárolt program határozza meg, a mérôváltók szekunderében érzékelhetô feszültség- és áram idôfüggvényeket a digitális

jelfeldolgozás módszereivel értékelik ki. Egyik alapvetô elônyük az, hogy kiegészítô áramkörök alkalmazása nélkül biztosítható minden elemük automatikus önellenôrzése, és ezzel jelentôsen megnô a védelem megbízhatósága. Alkalmazásuk másik elônyét az jelenti, hogy a memóriájukban tárolt információk egyszerû kommunikációs csatornán keresztül kinyerhetôk, ezáltal nemcsak a készülék folyamatos mûködôképessége, hanem az egész energiarendszer mindenkori állapota is nyomon kísérhetô. A közeljövôben várható tendencia az, hogy a mikroprocesszoros védelmek egyre inkább beilleszkednek az egységes alállomási számítógépes üzemirányítási rendszerbe. Mindezek új védelmes mérnöki szemléletmód elterjedését teszik szükségessé. 5.3 A villamosenergia-rendszer fôbb elemeinek védelmi rendszere A következôkben röviden áttekintjük az energiarendszer legfontosabb alkotóelemeinek szokásos védelmi módszereit. A

részletek vizsgálatakor soha nem szabad azonban megfeledkeznünk arról, hogy az egyes védelmek egy összefüggô rendszer részei, amely rendszer felépítését két alapelv irányítja: a védelmek koordinációja és a védelmi tartalékolás. A védelmek kooordinációja az alapkövetelmények között említett szelektivitás biztosításához szükséges. Azt a védelmet, amely egy adott berendezés zárlatakor elsôsorban hivatott mûködni, alapvédelemnek nevezzük. A védelmeket úgy kell alkalmazni és beállítani, hogy más készülék az alapvédelem mûködését ne elôzhesse meg. A védelmi tartalékolás azért szükséges, hogy a zárlat akkor is megszûnjön, ha az alapvédelem bármilyen okból nem mûködik. E célt szolgálják a tartalék védelmek, amelyek mûködtethetik ugyanazt a megszakítót (közeli tartalék védelem) de kezdeményezhetik más megszakítók mûködését is (távoli tartalék védelem). Ez utóbbi esetben a szelektivitás általában

nem biztosítható, de jól szolgálja azt az elvet, hogy a zárlat fennmaradását minden eszközzel meg kell akadályozni. Az egyes hálózati elemek védelmei feszültségszintenként alapvetôen különböznek egymástól. Ennek okai a következôk: − Az egyes feszültségszinteknek más az energiaszállításban játszott szerepe és fontossága. A nemzetközi kooperációs hálózaton, a nagyfeszültségû alaphálózaton például a gyorsabb, bonyolultabb felépítésû, ennek megfelelôen költségesebb védelmi rendszer is gazdaságos, a nagy kiterjedésû középfeszültségû elosztóhálózaton viszont célszerûbb egyszerûbb zárlatvédelmet alkalmazni. − Az egyes feszültségszinteken más-más csillagpontkezelési módszert alkalmaznak. A kompenzált, vagy hosszú földeléses középfeszültségû hálózaton másként zajlanak le a földérintéses zárlatok, mint a nagyfeszültségû rendszeren. A védelmeknek ehhez igazodniuk kell. − Az egyes

feszültségszinteken eltérô a hálózat felépítése is. A hurkolt nagyfeszültségû hálózaton a védelmek felszerelési helyén a hiba helyétôl függôen ellenkezôjére változhat a zárlati energiaáramlás iránya. Ennek megfelelôen a zárlatérzékelésnek bonyolultabbnak kell lennie, mint az általában sugarasan üzemelô középfeszültségû hálózatok esetén. 93 5.31 Távvezetékek védelme A középfeszültségû hálózat alapvédelme a fáziszárlatok és túlterhelések hárítására a kétlépcsôs, áramtól független késleltetésû túláramvédelem. Az 5-1. ábra a sugaras hálózat V1 helyén felszerelt túláramvédelem beállítását mutatja Az ábrán megfigyelhetô, hogy a zárlati áram (Iz) a mögöttes hálózati impedanciától és a zárlat fajtájától (3F vagy 2F) függôen egy maximális (Iz max) és egy minimális (Iz min) érték között változhat, és a hibahely távolságával (l) csökken. A V1 védelem gyorsfokozatának

feladata az AB vezetékszakasz gyors és szelektív védelme. Úgy kell beállítani, hogy az ne szólalhasson meg a B gyûjtôsínrôl leágazó védelmek gyorsfokozatai helyett, tehát biztonsággal ne érzékelje a B gyûjtôsínnél fellépô maximális zárlatot sem: gy I BE ≥ I Bz max 1− ε (5-1) Az ε tényezô a beállítás bizonytalanságát veszi figyelembe. 5-1. ábra Kétlépcsôs túláramvédelem beállítása és hatótávolsága A késleltetett fokozat szerepe a BC vezetékszakaszok fedôvédelmének biztosítása. Ennek mûködnie kell a "legtávolabbi" C gyûjtôsín zárlatára akkor is, ha ott a minimális zárlati áram folyik, és a védelem pozitív hibával érzékel: 94 kf I BE ≤ I Cz min 1+ ε (5-2) Ugyanakkor a védelem nem mûködhet a legnagyobb üzemi áramra akkor sem, ha negatív hibával van beállítva. A következô összefüggés számlálójában a "felfutási tényezô" azt veszi figyelembe, hogy idegen

zárlatkor a lecsökkent feszültség miatt a motorok lelassulnak, majd a zárlatos hálózatrész lekapcsolódása után a sebességük visszanyeréséhez megnövekedett áramot vesznek fel. A nevezôben az "ejtôviszony" a relé ejtési és a megszólalási áramértékének hányadosa kf I BE ≥ k f I ü max kv 1 − ε (5-3) Ütközô feltételek esetén túláramvédelem nem alkalmazható. A két fokozat együttes karakterisztikáját az 5-1. ábra az idô-távolság koordináta rendszerben mutatja. Az árambeállítások bizonytalansága azt eredményezi, hogy a távolság függvényében van olyan vezetékszakasz, ahol a védelem mûködési ideje illetve a megszólalása bizonytalan. A kompenzált szabadvezeték-hálózat földzárlatvédelmét alapvetôen a Petersen tekercses kompenzálás hivatott megoldani. Maradó földzárlat esetén a hibás leágazás kiválaszthatósága érdekében egy automatikusan idôzítve bekapcsolódó ellenállás söntöli a

kompenzáló tekercset. Ezzel rövid idôre megnô a földzárlati áram, ami az egyszerû túláramvédelmek számára lehetôvé teszi a zárlatos leágazás kiválasztását. A hosszan földelt kábelhálózaton a földelô ellenállás értékét úgy határozzák meg, hogy földzárlatok esetén a szelektív kiválasztáshoz elegendô nagyságú zérus sorrendû áram folyhason. A nagyfeszültségû hálózat alapvédelme a távolsági védelem, amely az érzékelés elvébôl következôen mindig a zárlati hely távolságával arányos impedanciát méri. Ehhez két érzékelési egyenlet alkalmazása szükséges. Ha egy vonali feszültség és a megfelelô két fázisáram különbségének vesszük a hányadosát: Zé = U CB IC − I B (5-4) akkor a relé 3F, 2F és 2FN zárlatok esetés pontosan a védelem és a zárlat helye közötti pozitív sorrendû impedanciát érzékeli, de az FN zárlatot elvileg helytelenül méri. Fázisfeszültség, valamint fázisáram és

zérus sorrendû áram keverékének érzékelése esetén: Zé = UA , I A + kI 0 ahol k= Z0 −1 Z1 (5-5) FN, 2FN és 3F zárlatok esetén helyes az érzékelés, viszont a 2F zárlatot méri elvileg hibásan a védelem. A k tényezô a vezetékimpedanciáktól függô konstans A védelem megvalósítható egy vagy több mérôelemmel, ahol az elôbbi esetben a zérus sorrendû áram észlelésének függvényében más-más mennyiséget kell kapcsolni a mérôelemre. Ez az ébresztôelem feladata, amelynek mûködése lassítja a védelem reakcióidejét. Lényegesen költségesebb a több mérôelem alkalmazása, itt viszont meg kell vizsgálni a nem zárlatos fázisok érzékelését is a hibás megszólalások elkerülése érdekében. A távolsági védelmek fokozatainak beállítására az 5-2. ábra mutat példát A gyorsfokozatnak biztonsággal nem szabad megszólalnia a B sínrôl elmenô vezetékek zárlataira: 95 ZV 1 ≤ 1 Z 1 + ε AB (5-6) A második

fokozatnak biztonsággal védenie kell a saját vezetékszakaszt egészen a B gyûjtôsínig: ZV 2 ≥ 1 Z 1 − ε AB (5-7) ugyanakkor nem szabad ütköznie a W védelem második fokozatával: ZV 2 ≤ 1 1− ε Z AB + Z 1+ ε 1 + ε W1 (5-8) 5-2. ábra Távolsági védelem beállítási feltételei Itt az utolsó tagban a W jelû védelem hasonló módon beállított elsô fokozata szerepel. Figyelemmel kell lenni arra is, hogy a második fokozat a B gyûjtôsínre csatlakozó transzformátorok szekunder oldalára sem érhet át: ZV 2 ≤ 1 1 Z AB + Z 1+ ε 1 + ε tr (5-9) A hibahelyi átmeneti ellenállás (amelyet ohmosnak feltételezhetünk) hatásának kiküszöbölésére, valamint hurkolt hálózaton a mindenkor szükséges irányítottság biztosítására a védelem megszólalási karakterisztikája az impedancia síkon nem origó középpontú kör, hanem legtöbbször úgynevezett MHO, vagy poligon karakterisztika. Ezekre az 5-3 ábra mutat példát 96 5-3.

ábra Ívkompenzált mérôelem-karakterisztikák A nagyfeszültségû hálózaton felszerelt védelmek megoldják a következô problémákat is: − érzéketlenítés teljesítménylengések esetén, − kettôs vezeték érzékeléstorzító hatása a zérus sorrendû csatolás miatt, − az alapvédelem kioldáskésleltetésének megszüntetése. Rövid vezetékszakaszok esetén gyakran elôfordul, hogy a távolsági védelem nem állítható be kellô biztonsággal. Ilyen esetekben különbözeti elven mûködô védelem a megoldás Ennek mûködési elvét a transzformátorok védelmei kapcsán fogjuk bemutatni. Természetesen vezeték esetén meg kell oldani a nagyobb távolságú jelátvitel problémáját is. 5.32 Transzformátorok védelme A transzformátorok a villamosenergia-rendszer igen nagy értékû és fontosságú berendezései, zárlatvédelmük ennek megfelelôen minden hibalehetôség kiküszöbölésére fel van készítve. A nagy teljesítményû (>10 MVA)

transzformátorok alapvédelme a differenciálvédelem, amelynek biztonságát a védelem megkettôzésével is biztosítják. Az érzékelés alapelvét az 5-4 ábra szemlélteti: 5-4. ábra Klasszikus differenciálvédelem, külsô zárlati árameloszlás Az 5-4. ábrán látható módon külsô zárlat esetén a védett elembe befolyó és onnan kifolyó áramok különbsége nulla. Ha viszont a zárlat a védendô elem belsejében következik be, akkor egyoldalú táplálásnál a különbségi áram jó közelítéssel a befolyó zárlati árammal egyezik meg, hurkolt hálózaton pedig a kétoldalról betáplált zárlati áramok összegét adja. Az elv tehát tökéletes szelektivitást, így igen gyors zárlathárítást tesz lehetôvé. A gyakorlati megvalósítás a következô problémák megoldását teszi szükségessé: Ha a kétoldalon elhelyezett áramváltók nem azonos karakterisztikájúak, (ez a transzformátorok különbözô feszültségszintjeinél igen

valószínû) akkor külsô zárlat, sôt normál terhelô áram esetén is adódik különbözeti áram. Ennek kiküszöbölését szolgálják az ábra F jelû, fékezô nyomatékot 97 adó tekercsei, amelyek azt biztosítják, hogy a megszólalási áram értéke az átfolyó árammal növekszik. Transzformátorok esetén további problémát okoz a menetszámáttétel és a transzformátor kapcsolási csoportja (csillag, delta, stb.) A megoldás a megfelelô áttételû áramváltók és azoknak a megfelelô szekunder kapcsolása. A gyakorlat számára elegendô, ha a transzformátor és az áramváltók által alkotott hurokban körbejárva az eredô áttétel (az ideális 1 helyett) 0.8 és 125 közé esik A fent említett fékezô tekercsekkel a transzformátor egy oldalról folyó üresjárási árama is közömbösíthetô. Ismeretes, hogy a transzformátorok bekapcsolása igen nagy csúcsértékû "bekapcsolási áramlökés"-sel jár. Azért, hogy ez ne

okozzon felesleges kioldást, különleges, a jellegzetes áramalakot felismerô védelmi kiegészítéseket kell alkalmazni. A transzformátorok fontos védelmei még a nem villamos mennyiségeket, hanem a hûtôolajban zárlatkor, túlterheléskor keletkezô gôzöket és gázokat, illetve az olaj mozgását érzékelô úgynevezett Buchholz relék, valamint a túlterhelések ellen védô túláramvédelmek is. 5.33 Generátorok védelme A nagy értékû erômûvi berendezések, fôként a generátorok zárlatvédelmét összetett védelmi rendszer biztosítja, amely általában differenciálvédelembôl, túláramvédelembôl, speciális feszültségcsökkenési és feszültségnövekedési relékbôl áll. Ezt egészíti ki az aszimmetrikus állapotok elleni védelmet szolgáló, negatív sorrendû áram érzékelésén alapuló túláramvédelem, valamint a gerjesztéskimaradási védelem, amely azon alapul, hogy gerjesztés nélkül a szinkron gép nem ad le hatásos

teljesítményt a hálózatba, hanem a gerjesztéshez meddô telesítményt vesz fel onnan. Elsôsorban a turbina védelmét szolgálja a visszteljesítmény védelem, amely azt akadályozza meg, hogy a generátor forgassa a turbinát. A szinkron fordulatnál nagyobb fordulatszám elérését a frekvencianövekedési védelem akadályozza meg. Az említett védelmek alkalmazását a generátor teljesítményének (fontosságának) függvényében szabványok írják elô. 5.34 Gyûjtôsínek védelme Az energiarendszer igen lényeges elemei a gyûjtôsínek. Különleges helyzetük és az ide koncentrálódó nagy zárlati teljesítmények miatt a védelmi problémáik is különlegesek. A nagyfeszültségû hálózaton a gyûjtôsín-differenciálvédelem a szokásos védelmi módszer, amiben az egyes áramváltók különbözô mértékû telítése (és így hamis különbözeti áramok kialakulása) ellen speciális relék alkalmazása szükséges. A csatlakozó távvezetékek és

transzformátorok energiaáramlási irányának összehasonlítása is alkalmazható védelmi elv lehet. A sugaras hálózaton az úgynevezett "logikai reteszelésû" gyûjtôsínvédelem alkalmazása szokásos. Ennek elve az, hogy belsô zárlat esetén ébred a betáplálás túláramvédelme, de ugyanakkor egyetlen leágazási védelem sem érzékel zárlatot. Kisebb jelentôségû gyûjtôsínek esetén a betáplálásnál elhelyezett túláramvédelem késleltetésével oldják meg a védelmi rendszer szelektivitását. 5.4 Automatikák 98 Az automatikák feladata az, hogy az összetett felépítésû, nagy kiterjedésû energiarendszer folyamatos, a követelményeknek megfelelô mûködését gyorsan, pontosan, emberi beavatkozás nélkül biztosítsák. 5.41 Üzemzavari automatikák Az üzemzavari automatikák mûködése közvetlen összefüggésban van a védelmek mûködésével. Feladatuk, hogy a zárlathárítás (üzemzavar) után helyreállítsák az

energiarendszer normális üzemét, biztosítsák a villamosenergia-szolgáltatás folyamatosságát. A visszakapcsoló automatikák megkísérlik a védelmek által kikapcsolt hálózati elemet újra üzembe venni. A hazai hálózaton kétlépcsôs visszakapcsolás szokásos Az elsô, rövid holtidô (0.6 s) után mintegy 73%-ban sikeres a visszakapcsolás, tehát a távvezetéki zárlatok jelentôs részben múló zárlatok. Sikertelenség esetén pedig kb 30 s várakozás után újabb 17%-ban eredményes a visszakapcsolás. A kapcsolás a védelmi mûködésnek megfelelôen lehet egyfázisú (EVA) vagy háromfázisú (HVA). Az átkapcsoló automatikák szerepe az, hogy egy meghibásodott hálózati elem helyett tartalék energiaellátási útról gondoskodjanak. Az átkapcsolást indíthatják a védelmek (eseményvezérlés), vagy az automatika önállóan érzékelheti a feszültség, illetve az energiaáramlás megszûnését (állapotvezérlés). Az úgynevezett

rendszerautomatikák feladata az, hogy biztosítsák az energiatermelés és a fogyasztás egyensúlyát. E készülékek a rendszer frekvenciáját érzékelik Annak csökkenése esetén a csökkenés mértékének és sebességének függvényében több lépcsôben kevésbé érzékeny fogyasztókat kikapcsolnak, így nagy valószínûséggel megôrizhetô az együttmûködô energiarendszer stabilitása. 5.42 Üzemviteli automatikák Az automatikák másik csoportjaként az üzemviteli automatikák az energiaszolgáltatás minôségi és biztonsági követelményeinek teljesítését segítik. Ide tartoznak az erômûvi teljesítményfrekvencia szabályozók, és a feszültség-meddôteljesítmény vagy gerjesztésszabályozók, de e csoportba sorolhatók a szabályozós transzformátorok áttétel léptetôi, vagy a kondenzátortelepek fokozatszabályozói is. A kompenzált középfeszültségû hálózatokon a kompenzálás megfelelô mértékének tartása a Petersen tekercs

szabályozó automatika feladata. 99