ΤΕΙ Καβάλας
ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΠΑΣ
θέμα; ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΓΙΑ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΑΠΟ ΑΣΤΑΘΕΙΑ ΤΑΣΕΩΣ
ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ
Επιβλέπων : Dr. Αντωνιάδης Παντελής Σπουδαστές: Μαστορίδης Χαράλαμπος Χονδρονικολής Αναστάσιος
Καβάλα Μάιος 2008
ΠΕΡΙΛΗΨΗ
Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η αντιμετώπιση της μακροπρόθεσμης απώλειας ευστάθειας ενός Συστήματος Η λεκτρικής Ενέργειας (Σ.Η.Ε.).
Προκειμένου να προστατευθεί ένα τέτοιο σύστημα σε περίπτωση σοβαρής διαταραχής, εφαρμόζεται (ως έσχατο μέτρο) η αποκατάσταση του σημείου λειτουργίας με τη μέθοδο της αποκοπής φορτίου ελέγχοντας την τάση.
Συγκεκριμένα, εξετάζονται δύο απλά Σ.Η.Ε; ένα σύστημα τριών ζυγών, όπου μια γεννήτρια τροφοδοτεί ένα αυτοεπαναφερόμενο φορτίο μέσω ενός μετασχηματιστή εξοπλισμένου με Σύστημα Αλλαγής Τάσης υπό Φορτίο (ΣΑΤΦ) και ένα σύστημα οκτώ ζυγών, όπου γεννήτρια με τα ίδια χαρακτηριστικά τροφοδοτεί τρία αυτοεπαναφερόμενα φορτία μέσω τριών μετασχηματιστών με μηχανισμούς ΣΑΤΦ. Στα συστήματα αυτά συμβαίνει μία διαταραχή (απώλεια μιας γραμμής μεταφοράς) οπότε και μεταπίπτουν σε αστάθεια τάσης. Η αποκοτιή ενεργοποιείται όταν η τάση δικτύου πέσει κάτω από μια καθορισμένη τιμή.
Ο σκοπός για τον οποίο μελετάται το σύστημα του ενός φορτίου είναι η εύρεση του ελαχίστου ποσού αποκοτιής προκειμένου το σύστημα να οδηγηθεί σε ισορροπία. Ως ελάχιστο ποσό αποκοπής εννοείται το μικρότερο ποσό που πρέπει να απορριφθεί σε κάποια χρονική στιγμή ώστε να επανέλθει ευσταθής ισορροπία. Μετά από προσομοίω ση του συστήματος προκύπτει ότι, έως μια ορισμένη χρονική στιγμή (λίγο μετά το όριο μέγιστης φόρτισης) το ελάχιστο απαιτούμενο ποσό αποκοπής παραμένει σταθερό. Στη συνέχεια το ποσό αυτό παρουσιάζει σημαντική αύξηση με το χρόνο, μέχρι που να φτάσει το Σ.Α.Τ.Φ. στο όριο ρύθμισης, οπότε και αυξάνεται με μικρότερο ρυθμό.
Το γεγονός αυτό εκμεταλλευόμαστε προκειμένου να διευκολυνθεί η σύγκλιση κατά την αποκοπή και να επέλθει ισορροπία με αποκοπή μικρότερου ποσού. Αυτό γίνεται μειώνοντας την τάση αναφοράς του Σ.Α.Τ.Φ. τη στιγμή της αποκοπής. Το μέτρο αυτό δεν αποκόπτει φορτίο, δεδομένου ότι υπάρχει ο μηχανισμός αποκατάστασης του φορτίου μέσω μεταβολής της αγωγιμότητας.
Στο σύστημα τριών φορτίων εκτός από το ποσοστό αποκοπής και το χρόνο, τίθεται επιπλέον το ζήτημα επιλογής του ζυγού από όπου πρέπει να αποκοπεί φορτίο. Την απάντηση δίνει το κάθετο διάνυσμα στην επιφάνεια ορίων φόρτισης, το οποίο υποδεικνύει τη βέλτιστη κατεύθυνση στο χώρο των παραμέτρων προκειμένου το σημείο ζήτησης να επανέλθει στην επιτρεπόμενη περιοχή. Ό ταν η αποκοττή φορτίου εφαρμόζεται σε ένα ζυγό μόνο απορρίπτεται λιγότερο φορτίο στον τηο μακρινό ζυγό, ενώ η αποκοπή κατά μήκος του κάθετου διανύσματος αποκόπτει αθροιστικά περισσότερο φορτίο από ότι στην περίπτωση του πιο απομακρυσμένου φορτίου. Ωστόσο, το πλεονέκτημα στην δεύτερη περίπτωση είναι ότι η αποκοττή κατανέμεται γεωγραφικά σε περισσότερους ζυγούς.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ
ABSTRACT 5
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (ΑΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙΤΑΣΕΩΣ) 9 Ι.Ι ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΑΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 9 1.2 ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 11 1.3 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΕΞΟΠΛΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 15
1.3.1 ΓΕΝΙΚΑ 15 1.3.2 ΕΙΔΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 16
1.3.3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 17 1.3.4 ΑΡΧΕΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ 18
1.4 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣ 20
1.4.1 ΜΕΘΟΔΟΙ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣ... 181 1.5 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΥΠΟΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ 22
1.5.1 ΥΛΟΠΟΙΗΣΗ ΣΧΗΜΑΤΟΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ... 22
1.5.2 ΣΤΑΔΙΑ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ... 24
1.5.3 ΡΟΛΟΣ ΚΑΘΕ ΤΟΜΕΑ ΣΤΗΝ ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ 25
1.5.4 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΚΑΤΑ ΤΗΝ ΕΦΑΡΜΟΓΉ ΤΗΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ... 25
1.5.5 ΚΡΙΤΗΡΙΑ ΕΠΙΛΟΓΗΣ ΑΠΟΡΡΙΦΘΕΝΤΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 26
1.5.6 ΥΠΑΡΧΟΝΤΕΣ Η/Ν ΥΠΟΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ... 26
1.5.7 ΡΟΛΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΗΛ4 ΥΣ ΣΕ ΧΑΜΗΛΗ ΤΑΣΗ...27 1.5.8 ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΙΣ ΕΣΦΑΛΜΕΝΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥ Η/Ν Τ Σ ... 27 1.5.9 ΣΤΑΔΙΑ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ ΣΕ ΣΧΕΣΗ ΜΕ ΤΟ ΔΙΑΣΥΝΔΕΔΕΜΕΝΟ ΔΙΚΤΥΟ ΤΩΝ
ΒΑΛΚΑΝΙΩΝ 28
1.5.9.1 ΓΕΝΙΚΑ 28
1.5.9.2 ΣΧΟΛΙΑ . 28
1.6 ΑΠΟΡΡΙΨΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΠΟ ΧΑΜΗΛΗ ΤΑΣΗ 30
1.6.1 ΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ: ΠΟΥ, ΠΟΤΕ, ΠΟΣΟ;... 31 1.6.2 ΜΕΤΑΒΟΛΗ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΜΕ ΤΟ ΧΡΟΝΟ (ΠΟΤΕ;)... 31 1.6.3 ΔΥΣΚΟΛΙΕΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΗΝ ΤΑΣΗ... 32
1.6.4 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ SCADA.... 33
1.6.5 ΣΧΟΛΙΑ... 34 1.7 ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑΣ 34
1.8 ΔΟΜΗ - ΣΚΟΠΟΣ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ 35 2. ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ - ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΥΠ0ΒΑΘΡ038 2.1 ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 38
2.1.1 ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ...38
2.1.2 ΧΡΟΝΙΚΕΣ ΚΛΙΜΑΚΕΣ... . .. 39
2.2 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΦΟΡΤΙΩΝ 41
2.2.1 ΑΠΟΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΦΟΡΉΟΥ 41
2.2.2 ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΛΛΑΓΗΣ ΤΑΣΗΣ ΥΠΟ ΦΟΡΤΙΟ-ΣΑΤΦ... 42
2.2.3 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 43
2.2.4 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ ΚΑΜΠΥΛΕΣ ΔΙΚΤΥΟΥ ΚΑΙ ΦΟΡΤΙΟΥ...44 2.3 ΟΜΑΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ 51
2.3.1 ΣΧΕΣΗ ΟΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ ΚΑΙ ΔΙΑΚΛΑΔΩΣΕΩΝ ΣΤΟ ΟΜΑΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ...53 2.4 ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ Σφάλμα! Δεν έχει οριστεί σελιδοδείκτης.4
2.5 ΚΑΘΕΤΟ ΔΙΑΝΥΣΜΑ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΟΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ 57
2.5.1 ΟΜΑΛΟ ΜΟΝΤΕΛΟ...58
2.5.2 ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΤΑΓΩΓΗΣ 60
2.5.3 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΝΟΣ ΚΑΙ ΤΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ (ΠΟΥ, ΠΟΣΟ;)... 61
2.6 ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 62 2.6.1 ΓΕΝΙΚΑ 62
2.6.2 ΔΙΑΚΡΙΤΟΠΟΙΗΣΗ 63 2.6.3 ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΟΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΣΗΣ 64 2.6.4 ΕΑΑΧΙΣΤΗ ΑΠΟΚΟΠΗ 64
3. ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΣΤΟ ΑΠΑΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 65 3.1 ΓΕΝΙΚΑ 65
3.1.1 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 66 3.1.2 ΣΕΝΑΡΙΟ ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ 68
3.1.3 ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΝΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ-ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΟΙ 69 3.2 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 767
3.2.1 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ... 84 3.3 ΜΕΙΩΣΗ ΑΝΟΧΗΣ ΙΣΧΥΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 84
3.3.1 ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΟΤΑΝ ΙΣΧΥΣ ΚΑΙ V4 ΕΝΤΟΣ ΤΩΝ ΝΕΚΡΩΝ ΖΩΝΩΝ 85 3.3.2 ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ ΟΤΑΝ ΤΟ ΣΑΤΦ ΣΤΟ ΟΡΙΟ ΤΟΥ ΚΑΙ Η ΙΣΧΥΣ ΕΝΤΟΣ ΖΩΝΗΣ...88 3.3.2 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ... 92 3.4 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΕΑΑΧΙΣΤΗΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΕΝΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 93
3.4.1 ΓΡΑΦΙΚΕΣ ΠΑΡΑΣΤΑΣΕΙΣ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ 93 3.4.2 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΛΑΧΙΣΤΗΣ ΑΠΟΚΟΠΗΣ 98 3.4.3 ΠΑΡΑΤΗΡΗΣΕΙΣ 111
4. ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΩΝ ΤΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 10912 4.1 ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΡΙΩΝ ΦΟΡΤΙΩΝ 10912
4.2 ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ 113 4.3 ΣΕΝΑΡΙΟ ΔΙΑΤΑΡΑΧΗΣ 115 4.4 ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΥΠΟΒΑΘΡΟ 115
4.5 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΚΑΘΕΤΟΥ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΟΣ ΣΤΗΝ ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ 116 4.6 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΡΙΩΝ ΦΟΡΉΩΝ 118
4.6.1 ΕΛΑΧΙΣΤΗ ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΠΟ ΤΟ ΖΥΓΟ 4 ...118 4.6.2 ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΖΥΓΟΥΣ 6 ΚΑΙ 8...123 4.6.3 ΑΠΟΚΟΠΗ ΚΑΤΑ ΜΗΚΟΣ ΤΟΥ ΚΑΘΕΤΟΥ ΔΙΑΝΥΣΜΑΤΟΣ... 125 5. ΑΠΟΚΟΠΗ ΦΟΡΤΙΟΥ ΜΕ ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΜΕΙΩΣΗ ΤΑΣΕΩΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ 5.1 ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΤΟΥ ΕΝΟΣ ΦΟΡΤΙΟΥ 129
5.2 ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΤΗΣ ΜΕΙΩΣΗΣ ΤΗΣ ΤΑΣΗΣ ΔΙΑΝΟΜΗΣ 139 6. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ-ΠΡΟΟΠπΚΕΣ 14143
6.1 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 14143 6.2 ΠΡΟΟΠΤΙΚΕΣ 144 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 14146
12528
1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗΝ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ (ΑΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΚΑΙ ΤΑΣΕΩΣ)
1.1 ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Ως σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας (Σ.Η.Ε.) ορίζεται το σύνολο των εγκαταστάσεων κοα μέσων που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή, μιεταφορά και διανομή ενέργειας στους καταναλωτές. Προκειμένου να λειτουργεί ορθά το σύστημα, οφείλει να παρέχει ηλεκτρική ενέργεια όπου και όταν υπάρχει ζήτηση, με τα ελάχιστα δυνατά κόστη, οικονομικά και οικολογικά. Επειδή η ζήτηση πραγματικής και άεργου ισχύος μεταβάλλεται με το χρόνο, το σύστημα είναι απαραίτητο να ικανοποιεί αυτή τη συνεχώς μεταβαλλόμενη ζήτηση. Η παρεχόμενη ηλεκτρική ενέργεια πρέπει, τέλος, να ακολουθεί ορισμένες ποιοτικές προδιαγραφές; α) σταθερή συχνότητα, β) σταθερή τάση και γ) υψηλή αξιοπιστία τροφοδοτήσεως.
Η παροχή ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές προϋποθέτει τρεις ξεχωριστές λειτουργίες του ΣΗΕ: την παραγωγή, τη μεταφορά και τη διανομή. Ό πω ς είναι γνωστό, η ηλεκτρική ενέργεια από το σημείο που θα παραχθεί έως το σημείο που θα καταναλωθεί βρίσκεται σε συνεχή ροή και δεδομένου ότι δεν μπορεί να αποθηκευθεί, πρέπει να παράγεται τη στιγμή ακριβώς που υπάρχει ζήτηση από τους καταναλωτές.
Το σύστημα παραγωγής περιλαμβάνει τους σταθμούς παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και τους υποσταθμούς ανυψώσεως της τάσης για την μεταφορά της υπό υψηλή τάση. Η φάση της παραγωγής περιλαμβάνει τη μετατροπή μιας πρωτογενούς μορφής ενέργειας σε ηλεκτρική, με σύνηθες ενδιάμεσο στάδιο τη μετατροτιή της πρωτογενούς σε μηχανική μέσω κινητήριων μηχανών και στροβίλων και στη συνέχεια σε ηλεκτρική μέσω τω ν γεννητριών.
Οι πιο σημαντικοί σταθμοί παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας είναι οι θερμοηλεκτρικοί, όπου η ενέργεια παράγεται μετά από καύση ορυκτών καυσίμων (άνθρακας, λιγνίτης, πετρέλαιο, φυσικό αέριο), οι υδροηλεκτρικοί όπου η ενέργεια προέρχεται από τη ροή ή την πτώση υδάτων, οι πυρηνικοί όπου συμβαίνει πυρηνική σχάση (ουράνιο, θόριο, πλουτώνιο) και οι σταθμοί ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπου γίνεται εκμετάλλευση του ανέμου, των θαλασσίω ν κυμάτων, του ήλιου, της γεωθερμίας, της βιομάζας κτλ.
Το σύστημα μεταφοράς περιλαμβάνει τα δίκτυα των γραμμών υψηλής τάσης, τους υποσταθμούς ζεύξεως (όπου γίνεται απλή σύνδεση γραμμών χωρίς μετασχηματισμό τάσης), τα ΚΥΤ (όπου συνδέονται μεταξύ τους διαφορετικά επίπεδα τάσεων μεταφοράς) και τους υποσταθμούς υποβιβασμού της τάσεως σε μέση τάση. Πέρα από το να μεταφέρει ηλεκτρική ενέργεια από τους σταθμούς παραγωγής σε μεγάλα κέντρα κατανάλωσης, το δίκτυο μεταφοράς συνδέει τους σταθμούς παραγωγής μεταξύ τους αλλά και διαφορετικά ΣΗΕ μεταξύ τους.
Έ να σύστημα μεταφοράς θα πρέπει να διεπεται από σταθερή τάση (όσο αυτό είναι δυνατό) με ημιτονοειδή μορφή και σταθερή συχνότητα. Οι τάσεις και των τριών φάσεων θα πρέπει να είναι συμμετρικές, ενώ θα πρέπει να ελαχιστοποιούνται οι επιδράσεις (λόγω ηλεκτρικών ή μαγνητικών παρεμβολών) σε άλλες εγκαταστάσεις όπως το τηλεφωνικό δίκτυο ή στη μετάδοση των ραδιοφωνικών σημάτων.
Η μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται σε υψηλές τάσεις, καθώς έτσι εξασφαλίζονται μικρότερες ηλεκτρικές απώλειες και επομένως οικονομικότερη λειτουργία. Όπω ς άλλωστε είναι γνωστό, υψηλότερη τάση σημαίνει και αύξηση της ικανότητας μεταφοράς ισχύος του δικτύου. Τα επίπεδα τάσεων τα οποία χρησιμοποιούνται κατά τη μεταφορά εξαρτώνται από την απόσταση και την απαιτούμενη ισχύ. Ενδεικτικά αναφέρουμε τα εξής επίπεδα: 110 kV, 132 kV, 138 kV, 150 kV, 220 kV (υψηλές τάσεις), 275 kV, 345 kV, 400 kV, 500 kV (υπερυψηλές τάσεις), 750 kV κοί πειραματικά 1100 kV /cm 1500 kV (εξαιρετικά υπερυψηλές τάσεις). Συνεχές ρεύμα υψηλής τάσης χρησιμοποιείται μόνο σε περιτπώσεις πολύ μεγάλων αποστάσεων και υψηλών τάσεων, επειδή παρουσιάζει κάποια πλεονεκτήματα.
Σημαντικό τμήμα της μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας καταλαμβάνει ο τομέας της προστασίας, η λειτουργία του οποίου θα αναλυθεί σε επόμενη ενότητα.
Τέλος, η φάση της διανομής περιλαμβάνει τις γραμμές μέσω των οποίων η ηλεκτρική ενέργεια φτάνει στους τελικούς καταναλωτές και τους υποσταθμούς υποβιβασμού της τάσης που τις συνδέει με το σύστημα μεταφοράς. Γενικά, μπορούμε να διακρίνουμε δύο βαθμίδες διανομής;
• τη διανομή μέσης τάσης (ΜΤ), η οποία ξεκινάει από τους υποσταθμούς ΥΤ/Μ Τ και καταλήγει στους υποσταθμούς ΜΤ/ΧΤ. Το δίκτυο αυτό τροφοδοτεί επίσης βιομηχανικούς καταναλωτές (τριφασικές παροχές).
• τη διανομή χαμηλής τάσης (XT), η οποία ξεκινάει από τους υποσταθμούς ΜΤ/ΧΤ. Τροφοδοτεί τους τελικούς καταναλωτές (πελάτες οικιακής χρήσεως, μονοφασικές ή τριφασικές παροχές).
Τα δίκτυα διανομής μπορεί να είναι υπόγεια (π.χ. σε πυκνοκατοικημένα αστικά κέντρα) ή και εναέρια. Οι υποσταθμοί ΥΤ/Μ Τ και ΜΤ/ΧΤ χρησιμοποιούνται για τον υποβιβασμό της τάσεως σε επιθυμητά κάθε φορά επίπεδα.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η δομή ενός συστήματος επηρεάζεται σημαντικά από το μέγεθος της ζήτησης της ηλεκτρικής ενέργειας, τη χρονική μεταβολή της κατά τη διάρκεια του 24ώρου και από την χωροταξική της κατανομή. Έ χει διαπιστωθεί, τέλος, ότι η βροχοειδής διάταξη των συστημάτων μεταφοράς εξασφαλίζει την οικονομικότερη και πιο αξιόπιστη λειτουργία τους.
Παρά τις διαφορές στο μέγεθος, κυρίως, των συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, υπάρχουν κάποια κοινά χαρακτηριστικά, τα οποία συνοψίζονται στα εξής [9]: είναι τριφασικά εναλλασσόμενου ρεύματος και συχνότητας 50 ή 60 Ηζ (για τα εΠ,ηνικά και γενικότερα τα ευρωπαϊκά 50 Ηζ), σε εξαιρετικές, όμως, περιπτώσεις είναι δυνατό να χρησιμοποιηθεί και συνεχές ρεύμα στη μεταφορά. Η τάση λειτουργίας παραμένει σταθερή, οι γραμμές μεταφοράς και οι γραμμές διανομής μέσης τάσης έχουν τρεις αγωγούς φάσεων, ενώ οι γραμμές διανομής χαμηλής τάσης έχουν επιπλέον ουδέτερο αγωγό, αν και υπάρχουν και μονοφασικές δύο αγωγών.
1.2 ΕΥΣΤΑΘΕΙΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ
Τα ΣΗΕ είναι δυναμικά μη γραμμικά συστήματα τα οποία υφίστανται συνεχώς διάφορες μικρές ή σοβαρότερες διαταραχές που προέρχονται από διάφορα γεγονότα, όπως είναι η μεταβολή της ζήτησης και της παραγωγής, οι διακοπές ή ζεύξεις στοιχείων του συστήματος καθώς και βραχυκυκλώματα ή άλλα σφάλματα. Η μελέτη της δυναμικής συμπεριφοράς των δικτύων καλύπτει μια μεγάλη περιοχή φαινομένων διαφορετικής φύσεως: ηλεκτρικής, μηχανικής, θερμικής. Η χρονική περίοδος εκδήλωσης της μεταβατικής συμπεριφοράς του συστήματος ποικίλλει από μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου για τις υπερτάσεις χειρισμών των γραμμών ή καλωδίων έως πολλά λεπτά για την ανταλλαγή ισχύος μεταξύ διασυνδεδεμένων δικτύων, για φαινόμενα μεταβολής της συχνότητας κ.α.
Με βάση, λοιπόν, τη χρονική διάρκεια και τη φύση των μεταβατικών φαινομένων αυτά μπορούν να ταξινομηθούν στις ακόλουθες κατηγορίες [9, 10]:
• Ηλεκτρομαγνητικά μεταβατικά φαινόμενα: η διάρκειά τους φθάνει έως και μερικά χιλιοστά του δευτερολέπτου (τάσεις αποκαταστάσεων, υπερτάσεις χειρισμών, ατμοσφαιρικές υπερτάσεις κ.α.)
• Ηλεκτρομηχανικά μεταβατικά φαινόμενα: αυτά διαρκούν από μερικά δέκατα του δευτερολέπτου έως μερικά δευτερόλεπτα (απόκριση συστήματος μετά από μικρές και μεγάλες διαταραχές, απώλεια συγχρονισμού, μεταβολές συχνότητας ύστερα από μεταβολές φορτίου ή παραγόμενης ισχύος κ.λ.π.)
• Ενεργειακά μεταβατικά φαινόμενα: διαρκούν μέχρι μερικά πρώτα λεπτά (αυτόματη ρύθμιση φορτίου συχνότητας, μεταβολές παραγόμενης ισχύος από θερμικούς σταθμούς κ.λ.π.).
• Διακριτά μεταβατικά φαινόμενα: οφείλονται σε διακριτές ρυθμίσεις τάσεως φορτίου και διαρκούν και αυτά μέχρι μερικά πρώτα λεπτά. Διατάξεις που λειτουργούν με διακριτό τρόπο είναι τα συστήματα αλλαγής τάσης υπό φορτίο (ΣΑΤΦ) των μετασχηματιστών διανομής, τα συστήματα προστασίας υπερδεγιέρσεως (ΣΠΥ) των γεννητριών, οι αυτόματοι μηχανισμοί ζεύξεως - αποζεύξεως πυκνωτών κ.λ.π.
Παραδοσιακά οι μελέτες ευστάθειας ενός ΣΗΕ αναφέρονιαι στα ηλεκτρομηχανικά ή ενεργειακά φαινόμενα. Η ευστάθεια αποτελεί μία από τις βασικές ιδιότητες που πρέπει να διέπει τη λειτουργία ενός ΣΗΕ. Γενικά ένα σύστημα χαρακτηρίζεται ευσταθές όταν, ενώ λειτουργεί σε ορισμένη μόνιμη κατάσταση λειτουργίας και υφίστανται μια διαταραχή (από οποιαδήποτε αιτία), τείνει να επανέλθει σε μόνιμη κατάσταση λειτουργίας ίδια ή παρόμοια με την αρχική. Σαν μόνιμη κατάσταση λειτουργίας εννοούμε μια συνήθη κατάσταση λειτουργίας του συστήματος κατά την οποία εκτελεί το σκοπό του, δηλαδή παράγει, μεταφέρει και διανέμει σε κάθε στιγμή την ζητούμενη κατανάλωση.
Η ευστάθεια ενός ΣΗΕ αποκτά μεγαλύτερη σημασία όσο πιο εκτεταμένο είναι το σύστημα και όσες περισσότερες διασυνδέσεις έχει με γειτονικά συστήματα. Για αυτό το λόγο θα γίνει σε επόμενη ενότητα αναφορά στο διασυνδεδεμένο δίκτυο των Βαλκανίων.
Καθώς μεγαλώνει η ισχύς φορτίσεως του συστήματος, δυσχεραίνει η ευστάθεια λειτουργίας του. Στις μέρες μας, όπου αυξάνονται διαρκώς οι ενεργειακές ανάγκες σε ηλεκτρική ενέργεια κρίνεται επιτακτική η εντατικότερη εκμετάλλευση τω ν ήδη
διαθέσιμων ηλεκτρικών δικτύων, καθώς η κατασκευή νέων γραμμών μεταφοράς καθίσταται ολοένα και πιο δύσκολη τόσο για οικονομικούς και περιβαλλοντικούς λόγους, όσο και λόγω αδυναμίας κατασκευής ή συνέχισης της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας κοντά σε αστικά κέντρα (όπου άλλωστε βρίσκεται συγκεντρωμένο και το μεγαλύτερο μέρος του φορτίου).
Συνέπεια της εντατικότερης χρήσης των δικτύων, ήταν η εμφάνιση νέων φαινομένων αστάθειας σε πολλά ΣΗΕ. Κύρια χαρακτηριστικά αυτών των φαινομένων είναι η αργή, βαθμιαία βύθιση της τάσης (που πολλές φορές καταλήγει σε απότομη κατάρρευση). Παρόλο που συνήθως το πρόβλημα εντοπίζεται σε έναν ορισμένο μόνο αριθμό ζυγών του δικτύου, δεν λείπουν και οι περιπτώσεις όπου επεκτείνεται ae ολόκληρο το σύστημα. Τα φαινόμενα αυτού του τύπου έχει επικρατήσει να χαρακτηρίζονται διεθνώς με τον γενικό όρο «αστάθεια τάσεως». Έ νας γενικός ορισμός που περιγράφει συνοπτικά την έννοια της αστάθειας τάσεως βρίσκεται στο [11] και είναι ο εξής:
‘Η αστάθεια τάσεως προκαλείται από την προσπάθεια των φορτίων να απορροφήσουν ισχύ πέρα από το όριο μεγίστης μεταφερόμενης ισχύος του συνδυασμένου συστήματος παραγω γής και μεταφοράς'.
Λαμβάνοντας υπόψη τα παραπάνω, γίνεται φανερό ότι η αστάθεια τάσεως σχετίζεται με το όριο της μέγιστης ισχύος η οποία μπορεί να μεταφερθεί μεταξύ δύο σημείων ενός ηλεκτρικού δικτύου εναλλασσόμενου ρεύματος. Σύμφωνα με το θεώρημα μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος [21] τα ηλεκτρικά δίκτυα χαρακτηρίζονται από ένα σημείο μέγιστης μεταφερόμενης ισχύος, το οποίο καθορίζεται από το σύστημα μεταφοράς, καθώς και από το σύστημα παραγωγής (γεννήτριες). Εάν συμβεί υπέρβαση του ορίου αυτού, η διαδικασία ανάκτησης της ισχύος του φορτίου (π.χ. με αύξηση της αγωγιμότητας, όπως γίνεται στα συστήματα του ενός και τριώ ν φορτίων των κεφαλαίων 3, 4 και 5) γίνεται ασταθής, οπότε καταλήγει σε μείωση αντί για αύξηση της απορροφώμενης ισχύος. Η διαδικασία αυτή αποτελεί την κύρια αιτία των προβλημάτων αστάθειας τάσεως.
Επειδή η αστάθεια τάσης αποτελεί δυναμικό φαινόμενο, συνδέεται με την δυναμική φύση των φορτίων του συστήματος. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι πολλά φορτία όπως π.χ. οι κινητήρες επαγωγής έχουν την τάση να ανακτούν την απορροφώμενη ισχύ τους ύστερα από μία διαταραχή στο δίκτυο, η οποία προκαλεί μείωση της τάσης τροφοδοσίας τους. Για αυτό τα φαινόμενα αυτού του είδους αναφέρονται και ως αστάθεια φορτίου. Δεν είναι, όμως, μόνο τα φορτία που παίζουν ρόλο στην αστάθεια τάσεως, αφού παρόμοια αποτελέσματα (με έμμεσο τρόπο) επιφέρει η λειτουργία ορισμένων διατάξεων, όπως τα Συστήματα Αλλαγής Τάσης υπό Φορτίο (Σ.Α.Τ.Φ.), τα οποία με το να επαναφέρουν την τάση στους ζυγούς του φορτίου αποκαθιστούν και την ισχύ. Μια σύντομη παρουσίαση των Σ.Α.Τ.Φ. θα γίνει σε επόμενη ενότητα.
Με κριτήρια τη χρονική κλίμακα και το αίτιο που προκάλεσε την αστάθεια, μπορούμε να διακρίνουμε τα είδη ευστάθειας τα οποία δίνονται στον Πίνακα 1.2.1 [ 11 ]:
Π ίνακας 1.2.1: Κ ατηγορίες ευσ τάθειας Σ .Η .Ε Χρονυαί κλίμακα Αίτιο: Γεννήτρια Αίτιο: Φορτίο
Βραχυπρόθεσμη Ευστάθεια γωνίας δρομέα Μεταβατική Μικρών
διαταραχών
Βραχυπρόθεσμη ευστάθεια τάσεως
Μακροπρόθεσμη Ευστάθεια συχνότητας Μακροπρόθεσμη
ευστάθεια τάσεως
Τα πιο γρήγορα φαινόμενα ευστάθειας συνδέονται με την ηλεκιρομηχανική δυναμική του συστήματος, οπότε διαρκούν λίγα μόνο δευτερόλεπτα και για αυτό αναφορά σε αυτά γίνεται σε βραχυπρόθεσμη κλίμακα. Τα προβλήματα αυτά σχετίζονται με την ευστάθεια της γωνίας του δρομέα των γεννητριών, είτε με τη μορφή μη αποσβενύμενων ηλεκτρομηχανικών ταλαντώσεων, είτε ως μονότονη επιτάχυνση του δρομέα, η οποία οδηγεί σε απώλεια του συγχρονισμού. Η πρώτη οφείλεται σε έλλειψη ροπής αποσβέσεως, ενώ η άλλη σε έλλειψη ροπής συγχρονισμού.
Η πρώτη μορφή αστάθειας, δηλαδή η έλλειψη ροπής αποσβέσεως υπάρχει ακόμα και για μικρές διαταραχές. Για αυτό ονομάζεται ευστάθεια μικρών διαταραχών ή μονίμου καταστάσεως. Η δεύτερη μορφή αναφέρεται στην απόκριση του συστήματος ύστερα από σοβαρές και απότομες διαταραχές και ονομάζεται μεταβατική ευστάθεια ή ευστάθεια μεγάλων διαταραχών (συνήθεις διαταραχές αυτού του τύπου είναι τα βραχυκυκλώματα).
Ό ταν οι μεταβάσεις διαρκούν αρκετά λεπτά, τα φαινόμενα θα αναφέρονται ως μακροπρόθεσμα. Σε αυτή την κλίμακα μπορεί να γίνει διαχωρισμός σε δυο προβλήματα ευστάθειας;
• Προβλήματα συχνότητας, τα οποία οφείλονται στη διαταραχή του ισοζυγίου παραγωγής - ζήτησης φορτίου και είναι ανεξάρτητα από την τοπολογία του δικτύου.
• Προβλήματα τάσης, τα οποία οφείλονται στην ηλεκτρική απόσταση μεταξύ της παραγωγής και φορτίων και εξαρτώνται από τη δομή του συστήματος μεταφοράς.
Σε σύγχρονα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, τα προβλήματα ευστάθειας συχνότητας συναντώνται έπειτα από μια σοβαρή διαταραχή η οποία οδηγεί σε νησιδοποίηση. Υποθέτοντας ότι οι ηλεκτρομηχανικές ταλαντώσεις έχουν αποσβεστεί, η συχνότητα είναι κοινή σε κάθε νησιδοποιημένο τμήμα, οπότε το πρόβλημα μπορεί να αναλυθεί με τη βοήθεια ενός ισοδυνάμου ενός ζυγού, όπου βρίσκονται συνδεδεμένα όλες οι γεννήτριες και όλα τα φορτία. Η αστάθεια συχνότητας συσχετίζεται με την διατάραξη της ισορροπίας ενεργού ισχύος μεταξύ των γεννητριώ ν και των φορτίων σε κάθε τέτοιο τμήμα.
Αντίθετα, προκειμένου να αναλυθεί η αστάθεια τάσης απαιτείται πλήρης αναπαράσταση του δικτύου. Το τελευταίο αποτελεί και τον κυριότερο παράγοντα διαχωρισμού των δυο μορφών μακροπρόθεσμης αστάθειας.
Αυτό που πρέπει να σημειωθεί είναι ότι σε αντίθεση με όσα αναφέρθηκαν προηγουμένως για την μακροπρόθεσμη κλίμακα, στην βραχυπρόθεσμη δεν υπάρχει σαφής διαχωρισμός μεταξύ προβλημάτων ευστάθειας σε ότι αφορά το πώς προήλθαν (είτε από φορτίο, είτε από γεννήτρια).
ο διαχωρισμός που έγινε στον Πίνακα 1.2.1 δεν είναι περιοριστικός, καθώς κάποια μορφή αστάθειας μπορεί να μην προέλθει μόνο από το αίτιο που αναφέρεται στον πίνακα, αλλά να επηρεαστεί και από το άλλο. Επίσης μπορεί να γίνει παραπέρα διαχωρισμός των μορφών ευστάθειας σε μικρότερες υποκατηγορίες.
Η εξέλιξη ενός φαινομένου αστάθειας τάσεως που συμβαίνει σε κάποιο σύστημα μπορεί να διαρκέσει από μερικά δευτερόλεπτα έως και μερικές δεκάδες πρώτων λεπτών.
Οι δυνατές εκβάσεις αυτού του φαινομένου δίνονται στη συνέχεια:
• Ο μηχανισμός ο οποίος οδηγεί την αστάθεια να εξαντλήσει τα περιθώρια μεταβολής του (π.χ. τα όρια ρύθμισης του ΣΑΤΦ). Στην περίπτωση αυτή το σύστημα φαίνεται να ισορροπεί σε χαμηλά ως απαράδεκτα όρια τάσης.
• Με την επιτάχυνση του φαινομένου που οδηγεί στην απότομη βύθιση των τάσεων στην περιοχή εμφάνισης του προβλήματος. Στην περίπτωση αυτή το φαινόμενο ονομάζεται κατάρρευση τάσεως. Η κατάρρευση τάσης έχει ως αποτέλεσμα τη μερική ή ολική σβέση του συστήματος.
Κοντά στο σημείο κατάρρευσης, η χρονική απόκριση των τάσεων στην περιοχή εμφάνισης του προβλήματος γίνεται πολύ γρήγορη, γεγονός που καταλήγει σε μια κατακόρυφη πτώση τη χρονική στιγμή της κατάρρευσης. Έτσι, στο σημείο της κατάρρευσης έχουμε μια ασυνέχεια στη λειτουργία του συστήματος, η οποία οφείλεται στη συνεχή συμπεριφορά του συστήματος και όχι σε εξωτερικά από το σύστημα συμβάντα (βραχυκύκλωμα, άνοιγμα γραμμής κλπ.). Γενικεύοντας την έννοια της κατάρρευσης μπορούμε να δώσουμε τον εξής ορισμό [11,12];
'Μ ε τον όρο κατάρρευση εννοούμε μια απότομη καταστροιρική μετάβαση (πρακτικά ακαριαία) της κατάστασης ενός συστήματος, η οποία οφείλεται κυρίως σε αστάθεια που συνέβη σε πολύ γρήγορη χρονική κλίμακα. ’
Η κατάρρευση τάσης μπορεί να είναι, αλλά μπορεί και όχι το αποτέλεσμα αστάθειας τάσης.
Τα τελευταία χρόνια τα φαινόμενα αστάθειας και κατάρρευσης τάσης γίνονται αντικείμενο μελέτης τόσο στο στάδιο του σχεδιασμού συστημάτων ηλεκτρικής ενέργειας, ώστε να αποφεύγεται η εμφάνιση τέτοιων φαινομένων, όσο και στο επίπεδο ελέγχου, ώστε να διευρύνονται τα περιθώρια ασφάλειας κατά την κανονική λειτουργία.
Μεγάλο βάρος δίνεται στη σχεδίαση μέτρων που να αποτρέπουν την κατάρρευση και να περιορίζουν την έκταση και τις συνέπειες σε περιπτώσεις εμφάνισης αστάθειας.
1.3 ΠΡΟΣΤΑΣΙΑ ΚΞΟΙΙΛΙΣΜΟΥ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ
1.3.1 ΓΕΝΙΚΑ
Ό πω ς έχει ήδη αναφερθεί στην παράγραφο 1.1, σκοπός ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι η παραγωγιί και διάθεση ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές. Η ποιότητα της προσφερόμενης ισχύος εξαρτάται από το σχεδιασμό και τη λειτουργία του δικτύου μεταφοράς, καθώς και από την αξιοπιστία του πρωτεύοντος (Μ/Σ, Διακόπτες κτλ) και δευτερεύοντος υλικού (συσκευές προστασίας). Η εξασφάλιση ικανοποιητικής αξιοπιστίας στη μεταφορά ενέργειας είναι ιδιαίτερα σημαντική και απαραίτητη.
Περιορίζεται, ωστόσο, από το κόστος που απαιτεί η διασφάλισή της. Τα παραπάνω έχουν ως αποτέλεσμα να πραγματοποιείται εκείνη η επιλογή στοιχείων στο δίκτυο, η οποία να ικανοποιεί ταυτόχρονα όσο γίνεται περισσότερο και τους δύο περιορισμούς.
Όπω ς τονίστηκε προηγουμένως, βασική επιδίωξη των ηλεκτρικών εταιρειών εκτός από την αύξηση της αξιοπιστίας είναι η μείωση του κόστους λειτουργίας. Για αυτό επιδιώκεται το σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας να λειτουργεί κοντά στο όριο μέγιστης φόρτισης, γεγονός που εξασφαλίζει αύξηση της απόδοσης του συστήματος. Η λειτουργία, όμως, ενός Σ.Η.Ε. κάτω από αυτές τις συνθήκες το κάνει επιρρεπές σε βλάβες, καθώς, όπως είναι γνωστό, όταν τα στοιχεία του δικτύου λειτουργούν στα όριά τους, η παραμικρή υπέρβαση των χαρακτηριστικών λειτουργίας τους θα οδηγήσει σε σοβαρές διαταραχές.
Στο σημείο αυτό εισέρχεται ο ρόλος της προστασίας. Προκειμένου να εξασφαλιστεί η αδιάκοπη κανονική λειτουργία ενός ΣΗΕ καθώς και η διάθεση ενέργειας στους καταναλωτές υπό κανονικές συνθήκες αλλά και υπό συνθήκες διαταραχών, απαιτείται η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου συστήματος προστασίας που θα αντιμετωπίζει όποιες διαταραχές και σφάλματα εμφανίζονται στο δίκτυο του συστήματος.
Ως προστασία μπορούμε να ορίσουμε την απομόνωση του ελάχιστου δυνατού τμήματος του δικτύου στον ελάχιστο δυνατό χρόνο. Ό ρόλος της προστασίας συνίσταται στο να επενεργήσει με τον τρόπο που περιγράφηκε προηγουμένως προκειμένου να περιορίσει όσο γίνεται το σφάλμα στο στοιχείο στο οποίο εκδηλώθηκε, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι επιπτώσεις στο υπόλοιπο σύστημα. Κύρια επιδίωξή της [17] είναι να μην τεθεί εκτός λειτουργίας και άλλο στοιχείο πέραν αυτού στο οποίο εντοπίστηκε η βλάβη. Έτσι, είναι δυνατόν να αποφευχθεί η δημιουργία επικίνδυνων καταστάσεων, οι οποίες μπορούν να επηρεάσουν το ανθρώπινο δυναμικό (π.χ. ηλεκτροπληξία) ή κάποια εγκατάσταση (π.χ. ττυρκαγιά).
Ο σκοπός της προστασίας επιτυγχάνεται με τα ‘μέσα προστασίας’, τα οποία συνθέτουν το ‘σχήμα προστασίας’ και συνίστανται κυρίως από τους Ηλεκτρονόμους (Η/Ν). Πρόκειται για συσκευές οι οποίες παρακολουθούν κάποια μεγέθη του δικτύου, όπως τάση, ένταση κτλ, καθώς και τις μεταβολές τους και βάσει ρυθμιζόμενων ορίων ανιχνεύουν κάποια διαταραχή. Αλλο μέσο προστασίας είναι οι Διακόπτες Ισχύος, οι οποίοι δέχονται εντολές από τους ηλεκτρονόμους και απομονώνουν στοιχεία του δικτύου.
Στη δημιουργία ξεχωριστού τομέα για την προστασία του δικτύου στις ηλεκτρικές εταιρείες συνέβαλε από τη μία η αύξηση του μεγέθους των Σ.Η.Ε. και από την ά)Λη η
ανάπτυξη της τεχνολογίας. Συγκεκριμένα, ο κίνδυνος σφάλματος ενυπάρχει σε κάθε στοιχείο ενός συστήματος και μπορεί να προέλθει είτε από εξωτερικό αίτιο (π.χ.
κεραυνός), είτε από εσωτερικό (π.χ. γήρανση της μόνωσης). Ειδικά όταν πρόκειται για συστήματα μεγάλων διαστάσεων, όπου υπάρχουν πολλά συσχετιζόμενα στοιχεία, το ΤΓοσοστό κινδύνου πολλαπλασιάζεται.
Στις συσκευές προστασίας η τεχνολογική ανάπτυξη συντέλεσε στη δημιουργία τριώ ν γενιώ ν ηλεκτρονόμων, οι οποίες δίνονται στη συνέχεια με χρονολογική σειρά: τους ηλεκτρομηχανικούς, τους στατικούς και τους ψηφιακούς. Οι ηλεκτρομηχανικοί ηλεκτρονόμοι λειτουργούν με βάση την αρχή του επαγωγικού κινητήρα, ενώ οι στατικοί περιλαμβάνουν στοιχεία ηλεκτρονικής και διατάξεις λογικών κυκλωμάτων. Τέλος, οι ψηφιακοί ηλεκτρονόμοι λαμβάνουν ως είσοδο αναλογικά και ψηφιακά σήματα και δίνουν στην έξοδο ψηφιακά σήματα. Οι ψηφιακοί μπορούν να επιτελέσουν πολύ περισσότερες λειτουργίες από αυτούς των προηγούμενων γενιών με μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτητα.
Σε μεγάλα συστήματα η εμφάνιση ενός σφάλματος μπορεί να έχει καταστροφικά αποτελέσματα, αφού πιθανόν να έχει αντίκτυπο σε πολλά τμήματα του συστήματος.
Χωρίς την κατάλληλη προστασία επομένως το σύστημα δεν μπορεί να εκπληρώσει το στόχο του.
1.3.2 ΕΙΔΗ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ
Γενικά είναι δυνατό να γίνει διαχωρισμός της προστασίας σε δύο κυρίως είδη, καθέίΌ:
από τα οποία έχει διαφοροποιημένη λειτουργία και στόχο:
• προστασία εξοπλισμού, η οποία έχει ως σκοπό την ταχύτατη εκκαθάριση των σφαλμάτων που εμφανίζονται στο δίκτυο, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί η μηχανική καταστροφή του εξοπλισμού και οι πιθανές συνέπειες m u θα προκληθούν από το σφάλμα. Για να επιτευχθεί αυτό η προστασία εξοπλισμού δίνει σήμα σε κάποιον διακόπτη να ανοίξει για να απομονωθεί το στοιχείο στο οποίο εμφανίστηκε βλάβη, ή κάποια περιοχή που περιλαμβάνει το σημείο βλάβης.
• προστασία συστήματος από αστάθεια. Πρόκειται για προστασία του συστήματος, όταν έχει συμβεί κάποια σοβαρή διαταραχή, όπως για παράδειγμα απώλεια μονάδας παραγωγής ή μεγάλη και συντονισμένη αύξηση της ζήτησης φορτίου, οπότε και χάνεται το σημείο ισορροπίας.
Η εργασία αυτή μελετά κυρίως το δεύτερο είδος προστασίας. Συγκεκριμένα, σκοπός της εργασίας αυτής είναι να προστατευτεί ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας από αστάθεια τάσης. Για να προστατευτεί το δίκτυο και να επανέλθει το σημείο λειτουργίας σε ισορροπία, όπως θα παρουσιαστεί αναλυτικά στα κεφάλαια 3, 4 και 5 χρησιμοποιείται η μέθοδος της αποκοπής φορτίου. Η μέθοδος αυτή αποτελεί γενικά τρόπο αντιμετώπισης της κατάρρευσης τάσεως, η οποία, όπως αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.2, είναι πιθανή συνέπεια της αστάθειας. Άλλο είδος προστασίας ενός συστήματος από αστάθεια είναι η προστασία υποσυχνότητας η οποία αντιμετωπίζει την αστάθεια συχνότητας. Ό πω ς στην
αστάθεια τάσης, έτσι και σε αυτήν την περίπτωση προκεΐ|.ιένου να αποκατασταθεί τ σύστημα χρησιμοποιείται η μέθοδος της αποκοπής φορτίου.
1.3.3 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΚΑ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ΤΗΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ Έ να σύστημα προστασίας το χαρακτηρίζουμε ως προς την ποιότητα και την απόδοση του χρησιμοποιώντας τις παρακάτω έννοιες [15, 18]:
• Εξαρτησιμότητα (Dependability)
Η εξαρτησιμότητα εκφράζει την πιθανότητα μη αποτυχημένης λειτουργίας υπό δεδομένες συνθήκες. Ως αποτυχημένη λειτουργία είναι η μη λειτουργία ή η λανθασμένη λειτουργία του συστήματος σε συνθήκες σφάλματος, όπου θα έπρεπε να λειτουργήσει με συγκεκριμένο τρόπο.
Αν κάποια προστασία έχει υψηλό βαθμό εξαρτησιμότητας, τότε εξασφαλίζει ότι κάποιο εμφανιζόμενο σφάλμα ή μια διαταραχή θα αντιμετωπιστεί με βεβαιότητα και μάλιστα σε σύντομο χρονικό διάστημα.
• Ασφάλεια (Security)
Η ασφάλεια εκφράζει την ικανότητα ενός συστήματος προστασίας να αποφεύγει την ανεπιθύμητη λειτουργία υπό συνθήκες σφάλματος ή όχι. Ανεπιθύμητη είναι η λειτουργία του συστήματος όταν δεν υπάρχει σφάλμα ή όταν υπάρχει σφάλμα εκτός της ορισμένης ζώνης λειτουργίας του.
Αν κάποιο σύστημα προστασίας χαρακτηρίζεται από υψηλό ποσοστό ασφάλειας, σημαίνει ότι δεν θα απομονωθεί κάποιο τμήμα του δικτύου χωρίς να υπάρχει ανάγκη και ότι το τμήμα του δικτύου που θα απομονωθεί σε περίπτωση σφάλματος θα είναι όσο το δυνατόν μικρότερο.
• Αξιοπιστία (Reliability)
Εκφράζει την πιθανότητα ότι το σύστημα προστασίας θα εκτελέσει την απαιτούμενη λειτουργία για δεδομένες συνθήκες σφάλματος και εντός ορισμένου χρονικού διαστήματος. Αποτελεί, δηλαδή, την συνδυασμένη ικανότητα του συστήματος προστασίας να αποφύγει την αποτυχία λειτουργίας, αλλά και την ανεπιθύμητη λειτουργία.
• Επιλεκτικότητα (Selectivity) - Συντονισμός (Coordination)
Η επάχκτικότητα εκφράζει την ικανότητα ενός συστήματος προστασίας να επιλέγει τις συνθήκες για τις οποίες πρέπει ή δεν πρέπει να λειτουργήσει, ώστε όταν χρειαστεί να ανοίγει ο κοντινότερος στο σφάλμα διακόπτης και να ελαχιστοποιείται η περιοχή απομόνωσης.
• Χρόνος εκκαθάρισης σφάλματος (Fault clearing time) -Ταχύτητα (Speed) Ο χρόνος που μεσολαβεί από την εμφάνιση ενός σφάλματος έως τη λειτουργία του σχήματος προστασίας για την απομόνωσή του πρέπει να είναι όσο το δυνατόν μικρότερος. Η απομόνωση του σφάλματος πρέπει να είναι ταχύτατη, έτσι ώστε να ελαχιστοποιούνται οι πιθανές συνέπειες του σφάλματος (απώλεια μονάδας ή γραμμής, απώλεια συγχρονισμού, μηχανικές καταπονήσεις, κτλ).
Ο χρόνος εκκαθάρισης εξαρτάται από την κρισιμότητα του συγκεκριμένου τμήματος του δικτύου που προστατεύεται. Για αυτό τον λόγο σε μονάδες παραγωγής και γραμμές υπερυψηλής τάσης απαιτείται μεγίστη δυνατή ταχύτητα εκκαθάρισης σφάλματος, ενώ στις γραμμές διανομής δεν δημιουργεί πρόβλημα η λίγο πιο αργή λειτουργία της προστασίας.
Εκτός από τα παραπάνω, ένα σύστημα προστασίας χαρακτηρίζεται και από άλλες παραμέτρους [15, 18], λιγότερο, όμως, σημαντικές. Κάποιες παράμετροι είναι η διαθεσιμότητα (availability), η ευαισθησία (sensitivity), η ευστάθεια (stability), η ευελιξία (flexibility), η ακρίβεια (accuracy) και η συμβατότητα (compatibility).
Κατά τον σχεδίασμά του σχήματος προστασίας ενός συστήματος μεγάλη βαρύτητα δίνεται στην αξιοπιστία, η οποία ουσιαστικά αποτελεί συνδυασμό της εξαρτησιμότητας και της ασφάλειας. Γενικά, όμως, αύξηση της εξαρτησιμότητας οδηγεί σε μείωση της ασφάλειας και αντιστρόφως. Γ ι’ αυτό πολιτική της προστασίας είναι ένας συμβιβασμός μεταξύ των δύο παραμέτρων, προς όφελος πάντα της αξιοπιστίας. Βέβαια, η αύξηση της αξιοπιστίας ενός συστήματος προστασίας περιορίζεται από το απαιτούμενο για αυτήν την αύξηση κόστος.
1.3.4 ΑΡΧΕΣ ΠΡΟΣΤΑΣΙΑΣ
Γενικά, ένα σύστημα προστασίας αποτελείται [19] από μετασχηματιστές έντασης (ΜΕ), μετασχηματιστές τάσης (ΜΤ) και ηλεκτρονόμους προστασίας (Η/Ν). Η επιλογή ενός τέτοιου συστήματος αποτελεί μια πολύπλοκη διαδικασία, καθώς επηρεάζεται από αρκετούς παράγοντες, μερικοί από τους οποίους είναι οι ακόλουθοι:
• Οικονομικοί (κόστος επένδυοτης, λειτουργίας και συντήρησης των διατάξεων προστασίας)
• Η συμβατότητα με τις τυποποιημένες διατάξεις των κατασκευαστών, ώστε να εξασφαλίζεται αποτελεσματική λειτουργία του συστήματος και ευελιξία για το μέλνλον
• Η εμπειρία από το παρελθόν. Αυτό σημαίνει ότι λαμβάνονται υπόψη προηγούμενα προβλήματα σχετικά με το σύστημα
• Οι διαθέσιμός μετρήσεις και καταγραφές σφαλμάτων και βλαβών
Πρέπει να τονιστεί ότι παρόλο που λαμβάνονται υπόψη αρκετοί παράγοντες για το σχεδιασμό του συστήματος προστασίας, το σχήμα που θα καθοριστεί δεν είναι το μόνο κατάλληλο, αφού γενικά δεν υπάρχει μία μόνο σωστή επιλογή για την προστασία σε κάθε περίπτωση.
Σε κάθε σχήμα προστασίας, όποιες διατάξεις και αν περιλαμβάνει αυτό, η τροφοδοσία του εξοπλισμού προστασίας (ηλεκτρονόμοι ή καταγραφικά) δεν γίνεται απευθείας από το δίκτυο του συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά από τα δευτερεύοντα μετασχηματιστών τάσεως και εντάσεως. Επίσης, τα κυκλώματα προστασίας και ελέγχου απομονώνονται προκειμένου να επιτευχθεί ασφάλεια ταυτόχρονα των συσκευών και του ανθρώπινου δυναμικού.
Βασική αρχή της προστασίας ενός συστήματος ηλεκτρικής ενέργειας είναι η παρουσία δευτερεύουσας (επικουρικής ή back-up) προστασίας. Πρόκειται για διάταξη η οποία εξασφαλίζει την απομόνωση του σφάλματος, έστω και με κάποια καθυστέρηση χρόνου, σε περίπτωση που η αρχική (κύρια) προστασία αποτύχει να λειτουργήσει ενώ θα έπρεπε. Ο τρόπος που εγκαθίσταται η δευτερεύουσα προστασία στο δίκτυο εξαρτάται από τις απαιτήσεις του σχεδιαστή. Έτσι, μπορεί να είναι ενσωματωμένη στο πρωτεύον σύστημα προστασίας, ώστε αν δεν λειτουργήσει η προστασία μιας ζώνης να λειτουργήσει η προστασία της προηγούμενης ή των εκατέρωθεν ζωνών, με κάποια καθυστέρηση. Επίσης, όταν επιδιώκεται η δευτερεύουσα προστασία να είναι όσο το δυνατόν πιο ανεξάρτητη από την κύρια, βρίσκεται στο δίκτυο με τη μορφή επιπλέον παράλληλης προστασίας. Για αυτό χρησιμοποιούνται διαφορετικοί μετασχηματιστές έντασης και τάσης, διαχωρισμένες διατάξεις πτώσης του διακόπτη και προστασίες με διαφορετικές αρχές λειτουργίας.
Η φιλοσοφία και εν γένει και ο εξοπλισμός είναι διαφορετικός στην επιλογή του σχήματος προστασίας για τα διάφορα επίπεδα τάσης. Επιδιώκεται, κυρίως, να εξασφαλιστεί η υψηλότερη δυνατή αξιοπιστία στα δίκτυα των 400 kV, έπειτα σε αυτά των 150 kV κοα. 66 kV και τέλος στα δίκτυα των 20 kV. Για αυτό στην υπερυψηλή τάση το δίκτυο είναι εξοπλισμένο με δύο κύριες προστασίες, ενώ στην υψηλή και μέση τάση υπάρχει μια κύρια και μια επικουρική. Έ τσι, λόγου χάρη, όταν πρόκειται για την προστασία των γραμμών μεταφοράς σε δίκτυο των 400 kV χρησιμοποιούνται παράλληλα δύο ηλεκτρονόμοι αποστάσεως. Σε αυτή την περίπτωση το σφάλμα ανιχνεύεται ταυτόχρονα από τους δύο ηλεκτρονόμους, αλλά εντολή ανοίγματος δίνει όποιος προλάβει. Στις γραμμές μεταφοράς των 150 kV κού. των 66 kV υπάρχει ένας ηλεκτρονόμος αποστάσεως ως κύρια προστασία και ένας υπερεντάσεως ως επικουρική.
Οι γραμμές των 20 kV προστατεύονται με ηλεκτρονόμους υπερεντάσεως, ενώ ο ηλεκτρονόμος υπερεντάσεως επικουρικής προστασίας βρίσκεται στον μετασχηματιστή στη πλευρά των 20 kV. Αυτό σημαίνει ότι αποτελεί συνολική επικουρική προστασία των γραμμών του ζυγού και όχι μόνο μιας μεμονωμένης γραμμής.
Προηγουμένως αναφέρθηκε η έννοια της ‘ζώνης προστασίας’, η οποία αποτελεί θεμελιώδη αρχή της προστασίας ενός Σ.Η.Ε., χωρίς ωστόσο να δοθούν περαιτέρω πληροφορίες. Γενικά, λοιπόν, ένα σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας υποδιαιρείται σε ‘ζώνες προστασίας’ [17,18], οι οποίες περιλαμβάνουν τμήματα του Σ.Η.Ε. που καλύπτονται από μια ορισμένη προστασία. Κάθε ζώνη ελέγχεται με διακοτπικά και προστατευτικά μέσα, με μοναδικό σκοπό κανένα τμήμα του συστήματος να μη μένει απροστάτευτο. Ιδανικά τουλάχιστον, οι ζώνες αυτές πρέπει να είναι αλληλοεπικαλυπτόμενες, δηλαδή να επικαλύπτονται εκατέρωθεν του διακόπτη που ελέγχουν, ώστε ο διακόπτης να
περικλείεται και στις δύο ζώνες. Αν κάποια ζώνη προστασίας δεν περικλείει το διακόπτη, ένα σφάλμα στο τμήμα της γραμμής μεταξύ του μετασχηματιστή έντασης, που οριοθετεί τη ζώνη, και του διακόπτη πιθανόν να μην εκκαθαριστεί πλήρως και να συνεχίσει να τροφοδοτείται από την πλευρά αυτής της ζώνης.
Όπω ς αναφέρθηκε στην παράγραφο 1.3.3 κατά τη σχεδίαση ενός συστήματος προστασίας επιδιώκεται η αύξηση της αξιοπιστίας. Έ νας τρόπος για να επιτευχθεί αυτό είναι μέσω διπλασιασμού του εξοπλισμού προστασίας. Αυτό μπορεί να γίνει κατά τους εξής δύο τρόπους:
• Με διάταξη σε σειρά. Σε αυτήν την περίπτωση πρέπει να λειτουργήσουν και τα δύο συστήματα προστασίας για την πτώση του διακόπτη ή για οτιδήποτε άλλο ενεργοποιεί τα μέσα προστασίας. Συνέπεια αυτής της τοπολογίας είναι η αύξηση της ασφάλειας, η οποία, όμως, συνοδεύεται από μείωση της εξαρτησιμότητας.
• Με παράλληλη διάταξη. Σε αυτήν την περίπτωση η πτώση του διακόπτη μπορεί να ενεργοποιηθεί από κάθε σύστημα προστασίας ανεξάρτητα. Εδώ παρατηρείται αύξηση της εξαρτησιμότητας, με μείωση, όμως, της ασφάλειας.
Προκειμένου να εξασφαλίσουμε ταυτόχρονη αύξηση και των δύο παραμέτρων χρησιμοποιούνται πιο σύνθετες διατάξεις. Παρακάτω παρουσιάζονται δύο από αυτές:
• διάταξη με δύο από τρεις προστασίες σε παράλληλη λειτουργία. Στην περίπτωση αυτή για να προκληθεί πτώση πρέπει να λειτουργήσουν οποιεσδήποτε δύο προστασίες ταυτόχρονα.
• διάταξη δυο προστασιών σε σειρά παράλληλα με δύο άλλες σε σειρά. Εδώ απαιτείται η λειτουργία και των δύο προστασιών σε ένα από τα ζεύγη των εν σειρά προστασιών για την πτώση του διακόπτη.
Επειδή οι διατάξεις αυτές αυξάνουν σημαντικά το κόστος εφαρμόζονται μόνο όταν κρίνεται απολύτως αναγκαίο.
1.4 ΓΕΝΙΚΑ ΠΕΡΙ ΥΠΕΡΦΟΡΤΙΣΗΣ
Όπω ς έχει αναφερθεζ τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας (Σ.Η.Ε.) σχεδιάζονται και λειτουργούν έτσι ώστε για κάθε συνθήκη λειτουργίας, συμπεριλαμβανομένων και καθορισμένων διαταραχών, να υπάρχουν επαρκείς δυνατότητες παραγωγής και μεταφοράς, προκειμένου να καλυφθούν οι απαιτήσεις φόρτισης. Οι περιορισμοί οι οποίοι εισάγονται σε κάποιο Σ.Η.Ε. είναι φυσικά οικονομικής φύσεως και εκφράζονται ως περιορισμοί εφεδρείας, κάτω από τους οποίους, όμως, το σύστημα λειτουργεί ικανοποιητικά.
Στις διαδικασίες μείωσης των επιπέδων φόρτισης, όπου αυτό είναι αναγκαίο, εντάσσεται και η απόρριψη φορτίου. Η διαδικασία αυτή αυτομάτως αντιλαμβάνεται καταστάσεις υπερφόρτισης και αποκόπτει φορτίο, ώστε να ανακουφίσει τον
