Osnovne Koncepcije i Topologije Agregatskih Postrojenja

OSNOVNE KONCEPCIJE I TOPOLOGIJE AGREGATSKIH POSTROJENJA Zoran Rojnić, dipl. ing. el., Veljko Breĉević, Aquadac d.o.o., Pula, Trg 1. istarske brigade 10

Sažetak: Kvaliteta i besprekidnost opskrbe električnom energijom građevine može se postići primjenom više različitih izvora električne struje, kao što su osnovna distributivna mreža, agregatska rezervna napajanja, statički sustavi za neprekidna napajanja. Sigurnost i kvaliteta napajanja ovisi o zajedničkom djelovanju gore navedenih čimbenika kao cjeline. Tema ovog članka se koncentrira na različite konfiguracije i načine rada agregatskih postrojenja, s naglaskom na sustave paralelnog rada više agregata međusobno ili paralelnog rada s distributivnom mrežom.

1. UVOD 





Potreba za ostvarenjem besprekidnosti i povećanjem pouzdanosti opskrbe el. energijom odreĎene graĎevine ili kompleksa. Osnovni načini rada su samostalan ili otočni rad DEA, paralelni rad s distributivnom mrežom i kombinacije. U primjeni kao pričuvni izvori energije, obično su u kombinaciji TS i DEA. Ovisno o veličini graĎevine i kompleksnosti osnovnog napajanja, povećava se i opseg cjelokupnog električnog razvoda. Mrežno napajanje u kombinaciji s DEA je praktički električna centrala graĎevine i tako je treba tretirati - kao cjelinu

2. PRIMJENA I MOGUĆNOSTI DEA (DIESEL EL. AGREGATA) Osnovna namjena DEA: je osiguravanje besprekidnosti napajanja ili smanjenje prekida u napajanju na minimalno vrijeme. Pri tome se kontinuirano vrši provjera mrežnog napajanja Ostale mogućnosti: 

  

U kombinaciji sa statičkim sustavom besprekidnog napajanja (UPS) produžava se vremenska autonomija rada, bez potrebe predimenzioniranja baterija UPS-a. Rezervno napajanje za vrijeme periodičnih radova održavanja na TS i energetskom razvodu Smanjenje vršne snage - potrebna je realna procjena isplativosti Korištenje energije koja je nastala odreĎenom tehnologijom (petrokemije, toplane)

3. UOBIĈAJNI IZVORI NAPAJANJA GRAĐEVINA 

Napajanje graĎevina isključivo distributivnom el. mrežom



Kombinirano - mreža i dodatni izvori:  

jedan ili više transformatora i jedan ili više DEA i UPS transformatori, DEA, UPS, obnovljivi (alternativni) izvori (solarne ćelije s akumulatorima i pretvaračima napona (DCAC), manji ili veći generatori pogonjeni vjetrom

4. PODRUĈJA NAZIVNIH PODATAKA DEA  

4.1. Naponske razine DEA: Obično se primjenjuju trofazni agregati napona 400/231V, 50Hz.  U nekim industrijama se koristi napon 660V, 50Hz.  Na srednjem naponu se obično pojavljuju generatori napona 3 i 6 kV Valja napomenuti primjenu niskonaponskih generatora u razvodima srednjeg napona u kombinaciji s transformatorima.

4. PODRUĈJA NAZIVNIH PODATAKA DEA 4.2. Podruĉje snage  DEA se proizvode standardno u području od nekoliko desetaka pa do 3300 kVA, 400V.  Ograničenje snage povezano je sa snagom pogonskog diesel motora, odnosno njegovim dimenzijama, koje su prihvatljive za ugradnju u neku graĎevinu, dok odabir naponske razine direktno utječe na dimenzije generatora i razvodnih ormara. 

4. PODRUĈJA NAZIVNIH PODATAKA DEA - ograniĉenja 

Na niskom naponu primjerice za agregat snage 1500 kVA, nazivna struja je 2164 A, pa su potrebne bakrene sabirnice presjeka 900 mm2 i približno pet žila kabela s vodičima od 240 mm2,Cu po fazi.  Drugi limit se pojavljuje u aplikacijama s paralelnim radom agregata i mreže, jer su struje kratkog spoja veće, pa se pojavljuju limiti, ne samo u izboru nove opreme, već je moguć i znatan utjecaj na postojeće komponente instalacija, odnosno mreže.

5. BROJ AGREGATA  Pri

projektiranju, nakon što se odredi potrebna snaga agregatskog napajanja, otvara se pitanje koliko agregata ugraditi?

 Sustav

napajanja koji zahtijeva visoku razinu pouzdanosti napajanja, u pravilu se ne bi trebao bazirati na jednom agregatu.

5. BROJ AGREGATA 

Ušteda se može ostvariti odgovarajućom podjelom i izvedbom el. instalacija, tako da se trošila podijele po prioritetima. Trošila najnižeg prioriteta mogu se ostaviti samo na mrežnom napajanju. Ostalu grupu ili grupe čine trošila višeg prioriteta. Tako je moguća selektivna redukcija snage isključivanjem manje važnih trošila u slučaju kvara i djelomičnog pada sustava rezervnog napajanja. Električna instalacija, koja to omogućuje mora biti pažljivo projektirana .

5. BROJ AGREGATA  Broj

agregata ovisan je znatno i o predviĎenoj konfiguraciji sistema (otočno, više agregata paralelno, paralelno s mrežom), kao i o broju i snazi TS kojima se graĎevina normalno napaja.

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.1. Pojedinačni rad

DEA

G



R-L

Pojedinačni način rada DEA, uključujući i više agregata koji napajaju odvojene dijelove instalacije. Obično podrazumijeva električnu i mehaničku (ako je moguće) blokadu izmeĎu mrežnog i generatorskog prekidača i dva prekida u napajanju. Prvi prekid nastane pri ispadu mreže i obično traje oko 15s, drugi prekid pri povratku mreže, čije trajanje je podesivo i obično iznosi 1-2s (može se proizvoljno produžiti).

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.1.2. Odvojene mrežna i generatorska sabirnica GEN

G

Tr

Qm

Qm

Qt1

Qt2

TROŠILA 1

TROŠILA 2

Qg

Qm

TROŠILA 3 (prioritetna)

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.1.3. Distribuirano napajanje



više distribucijskih ormara na različitim lokacijama graĎevine napajanih iz različitih mrežnih izvora. Sistem sadrži više ATS prekidača. Do svakog novog ATS ormarića dovede se generatorski napon i signalni kabeli, a mrežni izvor se koristi postojeći.

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.1.4. Više sabirnica trošila napajanih iz različitih transformatora i odgovarajućim brojem agregata Qsp

Q1m

G Tr1



Q2m

Q1g

GEN1

TROŠILA 1

G Tr2

TROŠILA2

GEN2

svaki transformatora ima svoj par - generator. Moguća je ugradnja prekidača Qsp koji se smije uključiti pod strogo kontroliranim uvjetima. Budući ovaj sustav nije predviĎen za paralelni rad, onda ne smiju istovremeno biti uključeni Qg1 & Qg2. Nedostatak je što je moguće izvesti samo električnu blokadu izmeĎu Q1g i Q2g. Dodatna mjera je da se onemogući start agregata čiji prekidač mora ostati isključen. Tr1 i Tr2 predvidjeti za paralelan rad, a shodno tome i ostalu sklopnu opremu.

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.1.5. Redudantan Stand - by: Tr

GEN1

GEN2

G

G

Q1g Q1m

Q2g



TROŠILA 1

Dva DEA su pričuva jedan drugome. U slučaju primjene motornih prekidača moraju biti ugraĎeni podnaponski svici (siguran isklop prekidača agregata koji miruje, odnosno čiji generator ne daje napon).

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.2. Paralelni rad više DEA u blokadi prema mreži Tr

GEN1

GEN2

G

G

 Q1g

Q2g

Qg

Qm

 M

M

TROŠILA 1

TROŠILA 2

Vrijeme sinkronizacije od oko 20-60s (za dva do tri agregat u paraleli). Uobičajen način je sinkronizirati sve agregate, pa tek onda priključiti opterećenje, mada su moguće i druge kombinacije, ovisno o odnosu opterećenja i broju DEA. Pri većem broju agregata i promjenjivom opterećenju, moguća je kontrola broja aktivnih agregata, ovisno o teretu.

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.3. Paralelni rad jednog ili više agregata s mrežom GEN1

GEN2

GEN3

G

G

G

Q1g

Q2g

Q3g

Tr

SINCHRO CHECK 1

SYNCHRO CHECK 2

Qt

Qm TROŠILA

6.3.1. Kratkotrajni paralelni rad DEA 6.3.2. Trajni paralelni rad DEA i mreže - proizvodnja el. energije agregatom

6. OSNOVNE KONFIGURACIJE I SVOJSTVA 6.3.1. Kratkotrajni paralelni rad DEA i mreže s namjerom izbjegavanja prekida u napajanju pri povratku mreže ili kod najavljenih isključenja mrežnog napajanja. Pri povratku mreže agregat se sinkronizira s mrežnim naponom, uključi se mrežni prekidač i nakon toga se isključi generatorski. 6.3.2. Trajni paralelni rad DEA i mreže - automatika DEA starta agregat po nalogu, sinkronizira ga s mrežom, priključi na mrežu i regulira proizvedenu snagu agregata. 



Oba načina paralelnog rad s mrežom zahtijevaju praktički istu opremu, vezanu uz sigurnosne mjere i stabilnost paralelnog rada. Pojam kratkotrajna ili trajna paralela, je više statistički pojam, jer je u odnosu na brzinu dinamičkih promjena koje se dešavaju pri paralelnom radu par sekundi takoĎer dugačko vrijeme. Pojave kao što su porast struje kratkog spoja, ispad generatora iz paralele, problemi nastali pri uključenju prekidača zbog neispunjenih uvjeta za paralelni rad, prisutni su podjednako u oba režima.

Primjer 1: Napajanje bolničkog kompleksa Tr1

Tr2

M

M

QR1

QR2

TROŠILA – PRIORITET

TROŠILA – MREŽA

M

TROŠILA – PRIORITET

QT1

M

M

QT1

M

QT2

VLASTITA POTROŠNJA

GS G1

GS G2

QT2



Svaki od transformatora napaja sabirnicu trošila koja se prekidačima QS1 i QS2 mogu odvajiti na dva dijela.  Na jednom dijelu su priključena trošila nižeg prioriteta (napajanje samo iz mreže), na drugom dijelu su trošila koja se mogu napajati iz mreže ili iz generatora (DEA).

6.4. Podruĉje napona 

niski, srednji ili visok napon  Generator može biti niskog napona (3x400V) ili napona 3, 6 i 10 kV. U postrojenjima srednjeg napona s NN generatorima primjenjuju se transformatori za prilagodbu napona. Potrebno je posebno voditi računa o grupi spoja transformatora, odnosi se i na mjerne transformatore.  Kod viših naponskih nivoa primijeniti dodatne zaštite generatora (od zemljospoja statora, rotora, diferencijalna zaštita).

6.5. Prisutnost drugih izvora napajanja  DEA

može biti jedini rezervni izvor na graĎevini ili raditi u sprezi s nekim drugim dodatnim izvorima kao što je UPS. U toj kombinaciji treba uskladiti snagu agregata i UPS-a. Na taj izbor u mnogome utječu tehničke karakteristike jednog i drugog ureĎaja, obično je izbor skupljeg i kvalitetnijeg UPS-a financijski isplativiji, nego povećanje snage agregata, kako bi se postiglo usklaĎenja u radu ureĎaja.

6.6. Mjesto ugradnje DEA  Lokacija

strojarnice i električne opreme, odnosno fizička dislociranost razvodnih ormara unutar DEA centrale i u odnosnu na ostale dijelove električnog razvoda.  Utjecaj ima i izbor tipa agregata s obzirom na način ugradnje, odnosno da li se radi o agregatu u kontejneru (haubi) ili je predviĎen za ugradnju u strojarnicu (DEA salu) u graĎevini.

7. PODJELA KONFIGURACIJA 

Osnovna podjela proizlazi na temelju navedenih svojstava, a ista se pojavljuju u različitim kombinacijama. Zato ima različitih konfiguracija električnog razvoda MREŽA - AGREGAT na desetke. Na to imaju utjecaja i različite osnovne konfiguracije, koje proizvoĎači opreme nude i preporučaju, a često su vezani uz koncepciju i opremu razvodnih ormara i mogućnostima primjene upravljačkih elektroničkih jedinica DEA.

7. PODJELA KONFIGURACIJA  Kao

posebnu grupu, treba spomenuti rotacijske grupe DM-ELEKTROMOTORGENERATOR (NO BREAK) - besprekidno napajanje

8.1. Posebnosti DEA generatora u odnosu na elektrane    

  



veličina, odnosno snaga generatora veća zastupljenost NN generatora i opreme bitna razlika u broju radnih sati u životnoj dobi ureĎaja veća dinamika pogonskih uvjeta - potreban je brzi start i maksimalno opterećenje u vrlo kratkom vremenu,a strojarska oprema veći dio vremena provede u mirovanju manji udio kontinuiranog rada, veliki broj startova obično je tip generatora - hidro gen. (istaknuti polovi) specijalistička stručnost kadra je veća na elektranama, sistematizacija cjelokupnog sustava, elektrana nije izuzetak, već jedan od pogona u sistemu proizv.el. energ. kod DEA je osnovni način rada samostalan (otočni rad), red veličine snage potrošača je jednak redu veličine generatora, pa je izraženiji problem dinamičkog opterećenja, kao i sam karakter tereta nego kod paralelnog rada elektrane s krutom mrežom

8.2. Specifiĉnosti paralelnog rada generatora u odnosu na otoĉni rad: Razlike u regulaciji:  kod otočnog rada se održava konstantan broj okretaja pri promjenjivo opterećenju  pri paralelnom radu generatora meĎusobno, bez mreže, vrši se regulacija broja okretaja i raspodjele snage izmeĎu generatora pri promjenjivom zajedničkom opterećenju  pri paralelnom radu s mrežom regulira se radna snaga generatora preko snage pogonskog stroja i reaktivna komponenta struje preko napona generatora  sinkroni stroj može raditi i kao motor  karakteristike generatora (korak namota, faktor izobličenja napona, prigušni namot)  daljinska regulacija napona generatora  daljinska regulacija broja okretaja (servo motor, el. magnetski aktuator, hidraulični regulator)  ureĎaji za sinkronizaciju

8.4. Paralelni rad generatora s mrežom Prednosti: glavna prednost ovakvog načina rada je mogućnost prebacivanja napajanja s agregata na mrežu bez prekida na trošilima. To nije zanemariva mogućnost.  moguć je start agregata i prijelaz na agregatsko napajanje pri najavljenim isključenjima na mreži  agregati se mogu testirati i teretiti bez prekida u napajanju  moguće smanjenje vršne snage i iskorištavanje preostale energije iz tehnoloških proizvodnih procesa 

Nedostaci: 

  

 

viša cijena, više opreme potencijalna opasnost za pojavu neočekivanog napona na segmentima mreže (izvoĎenje radova) nekontrolirano napajanje pojedinih dijelova mreže iz agregata (npr. prilikom ispada mreže za vrijeme paralelnog rada) mogućnost pada sustava pričuvnog napajanja za vrijeme dok su agregati radili u drugom režimu kod kritičnih napajanja graĎevine pričuvni agregat bi trebao imati isključivo funkciju sigurnosnog napajanja, a ne proizvodnje el. energije. kvar elektroenergetskog dijela agregata može se lakše prenijeti na el. distributivnu mrežu, nego kod izoliranog načina rada, odnosno kad su mrežni i generatorski prekidači elektro-mehanički u meĎusobnoj blokadi

8.3. Paralelni rad više generatora meĊusobno 

Prednosti: 

  





manja mogućnost totalnog ispada sustava ureĎaja, nego jednog (u slučaju kvara agregata). prilagodba snage sporo promjenjivoj potrošnji lakši unos opreme u graĎevinu manji presjeci kabela pojedinih generatora mogućnost ugradnje na različita mjesta unutar graĎevine ili kompleksa

Nedostaci:  





viša cijena, više opreme prilagodba snage realno je izvediva kod većeg broja primijenjenih agregata (od 3-5, pa na gore) potrebno je nešto dulje vrijeme prije no što se mogu trošila priključiti na agregate (nakon ispada mreže) veća šansa za ispad kod statičkih i dinamičkih preopterećenja (ispad iz sinkronizma)

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.1. Kontaktori 

Kontaktori (sklopnici) u kombinaciji sa el. magnetskom i termičkom zaštitom obično se koriste kod manjih snaga, odnosno struja do 250A.



Prednosti:

 

jednostavni i brzi elementi mogućnost pouzdane elektromehaničke blokade izmeĎu mrežnog i generatorskog sklopnika prikladne dimenzije cjenovno prihvatljivi, mada na ukupnu cijenu utječe magnetska i termička zaštita, koju treba prigraditi

 



Nedostaci:

mrežni sklopnik može biti osjetljiv na kratkotrajno smanjenje mrežnog napona  potrebno je predvidjeti el. magnetsku i termičku zaštitu, barem za generatorski sklopnik  zavojnica mrežnog sklopnika je trajno pod naponom  nema mogućnost ručnog uključenja 

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.2. Motorni prekidaĉi s ugraĎenom zaštitom Prednosti:       

pogodni za veće snage imaju ugraĎenu zaštitu i podesive karakteristike mogućnost ručnog uključenja mogućnost odabira različitih napona odnosno izvora za napajanje el. motora za navijanje prekidača primjenom podnaponske zavojnice može se postići blokada uklopa u beznaponskom stanju jedne strane prekidača postoje izvlačive izvedbe - brza zamjena razne izvedbe kontakata (zračni, vakumski)

Nedostaci:    

složenije upravljanje više mehanike složenija mehanička blokada, ali se može koristiti i kod dislociranih prekidača obično većih dimenzija od sklopnika

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.3. ATS - motorizirani preklopni prekidaĉi 

Koriste se ATS kojima upravlja automatika DEA ili imaju zaseban elektronički modul. Prikladni su za izvedbu samostalnih ormara gdje se vrši  preklapanje mreže-agregat. Preporučljivo je da upravljanje bude prepušteno automatici DEA. U slučaju primjene ATS modula koji rade samostalno, potrebno je u seriju ugraditi generatorski prekidač s isklopnikom ili sklopnik, kojeg uključuje automatika DEA

Prednosti: 

    

kompaktna izvedba dva prekidača u jednom bloku ugraĎene zaštite mogućnost ručne manipulacije mogućnost izbora različitih napona motornog pogona cjenovno isplativi stabilan mrežni položaj u slučaju kvara (zamjene) automatike, zamjene akumulat. baterija

Nedostaci:  

vrijeme preklapanja nešto duže (oko 5s) u slučaju kvara, potrebna zamjena cijelog bloka (oba prekidača)

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.4. Razvodni ormari i sabirniĉki sustavi 

Električni razvodni ormari i sabirnički sustavi s odgovarajućim elementima zaštite i odvajanja (osigurači, rastavljači) čine jezgru sistema. Naknadni radovi i izmjene u tom dijelu su obično najzahtjevniji i iziskuju duže prekide napajanja el. instalacija graĎevine.



Dobro osmišljen sustav treba omogućiti parcijalne radove u postrojenju bez prekida u opskrbi el. strujom, ili s minimalnim prekidima. To iziskuje primjenu zaobilaznih krugova, izradu više polja ormara, dvostrukih sabirnica i općenito je potrebno više rasklopne opreme. MeĎutim, u životnom vijeku graĎevine takav pristup se obično isplati, ne samo financijski već i uporabno.

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.5. Kabeli i oklopljene (izolirane) sabirnice 

Kod većih snaga koristi se više žila kabela po fazi, dobro rješenje su oklopljeni sabirnički sustavi.



Kabeli koji se spajaju na generator i priključne ormare na agregatu moraju biti lako savitljivi (finožični vodiči) s izolacijom na bazi gume, odgovarajućeg temperaturnog razreda. Prisutne su vibracije i povišena temperatura (uslijed blizine generatora i diesel motora).

9. OSNOVNA SKLOPNA OPREMA 9.6. Prenaponska zaštita  Razvodni

ormar s mrežnim prekidačem jedno je od mjesta gdje bi svakako trebalo ugraditi odgovarajuću prenaponsku zaštitu. Osim što se štite trošila, čuva se i oprema od kvarova.

10. GENERATORI Obično se za DEA koriste sinkroni trofazni generatori s istaknutim polovima. Za frekvenciju 50 Hz, br. okretaja je obično 1500 o/min (4 pola). Sistem uzbude: samouzbuda s budilicom i rotacijskim ispravljačem.  Varijacije uzbude: direktna (napajanje iz glavnog namota statora), AREP (pomoćni namot), PMG . Na slici 8 prikazani su osnovni dijelovi i el. krugovi generatora s uzbudom SHUNT+PMG: 

Slika 8 – sinkroni generator

10.1.Osnovne karakteristike generatora 10.1.1. Pogonska karta - graf opterećenja

 



Točka nazivne snage gen. je |Pnaz |=(0.8+j0.6)=1. Desno je područje induktivnog tereta s manjim cos f, potrebna je veće uzbudna struja i reduciranje snage. To je područje s povećanim grijanjem rotora. Područje faktora snage od 0.8 do 1 je dozvoljeno radno područje. Lijeva strana dijagrama predstavlja kapacitivni teret, koji dovodi do nestabilnosti napona (potrebna mala uzbudna struja). Praktički je to oko 10% reaktivnog kapacitivnog udjela od nazivne snage u KVA. Tipičan primjer kapacitivnog opterećenja su kondenzatori (baterije) za kompenzaciju jalove snage.



10.1.Osnovne karakteristike generatora 10.1.2. Kut opterećenja - sinkronizirajuća snaga 

Pri paralelnom radu generatora s krutom mrežom (U=konst, f=konst) može doći do ispada generatora iz sinkronizma. Tada dolazi do pojeve velikih struja izjednačenja i moguće su veće oscilacije struja, pa treba generator isključiti s mreže (ili resinkronizirati). Elektromagnetska snaga sinkronog stroja (turbogen.):

PM  m *

E *U * sin  Xd

Sinkronizirajuća snaga Ps Sinkronog stroja (turbogen.):

Ps 

Tijek el. magnetske snage sink. generatora

dPM E *U  * cos d Xd

m -broj faza, E-induc. napon, U-nap. na stezaljkama generatora, Q-kut izmeĎu induciranog nap. i nap. na stezaljkama generatora Xd-direktna komp. reaktance.

Magnetsko polje sink. stroja

ZAKLJUČAK 





Pri projektiranju sustava pričuvnih napajanja projektant mora biti upoznat s osnovama rada generatora i specifičnostima napajanja generatorom u odnosu na napajanje iz mreže. Potrebno je raspolagati tehničkim podacima koji su potrebni za proračune vezane za odabir opreme. TakoĎer treba znati da je moguć znatan utjecaj takovog napajanja na mrežu, posebno kad se radi o paralelnom radu. Po drugoj strani od odgovornih i stručnih osoba u el. distribuciji se očekuje potrebna suradnja i davanje na raspolaganje eksplicitnih tehničkih uvjeta i propisa za uklapanje takvih sustava u distributivnu mrežu. Broj mogućih konfiguracija je velik i ovisi o izboru projektanta, koji je na kraju i odgovoran za sigurnu opskrbu graĎevine el. energijom.

LITERATURA  (1)

Primjeri iz realiziranih projekata firme AQUADAC d.o.o. Pula  (2) Tehnička dokumentacija proizvoĎača generatora (LeroySomer, Stamford)  (3) Electric machinery, A. E. Fitzgerald, Charles Kingsley, Jr. Stephen D. Umans  (4) El. strojevi L.M. Piotrovskij

AQUADAC d.o.o. Pula

 Hvala

na pažnji!