Konfiguracije distributivnih mreža

Po svojoj nameni mreže se dele na prenosne i distributivne (uključuju i industrijske). Pravilo je da prenosne mreže rade sa upetljanom topologijom, dok distributivne mreže rade sa radijalnom topologijom.

Međutim, činjenica da distributivne mreže rade sa radijalnom topologijom ne znači da se one i projektuju kao radijalne. Naprotiv, njihove konfiguracije omogućavaju različite kombinacije rezervnog napajanja, zavisno od naponskog nivoa. U tom pogledu, posebno je važno rezervno napajanje gradskih srednjenaponskih mreža, koje su značajno osetljivije na prekide u napajanju.

Mreža napona 110 kV

Ovo je najviši naponski nivo koji trenutno može pripadati distribuciji (u našim uslovima; neke zemlje imaju naponski nivo 132 kV, što je vrlo slično). Razvojem ovih mreža one sve više postaju deo distribucije, formirajući novi termin subprenosne mreže (Subtransmission Networks).

Ovde ne postoje tipične konfiguracije, pošto su ove mreže ranije bile deo prenosnih mreža. Osnovni princip je da transformatorske stanice (TS) 110 kV/X kV moraju imati dvostruko napajanje (po mogućstvu sa različitih TS), čime se zadovoljava princip sigurnosti napajanja za slučaj jednostrukog ispada.

U pogonskim stanjima ovih mreža teži se smanjenju gubitaka, smanjenju struja kratkog spoja i eliminaciji preopterećenja u mreži.

Mreža napona 35 kV

U principu je slična sa mrežama 110 kV. Dakle, svaka TS 35 kV/X kV treba da ima dvostrano (rezervno) napajanje, po mogućnosti iz različitih izvora. Pri tome svaki od tih napojnih vodova mora biti u stanju da prenese kompletno opterećenje TS.

U slučajevima vangradskih područja sa malom površinskim gustinama opterećenja i sa malim jediničnim snagama TS može se odstupiti od principa dvostranog napajanja, zbog velikih troškova koji se u tom slučaju zahtevaju. Tada je moguć princip radijalnog napajanja. U savremenim uslovima, ovo polako prestaje da važi, pošto je kontinualnost napajanja neophodno obezbediti svim potrošačima.

Mreža napona 10 (20) kV

Ova dva naponska nivoa se alternativno primenjuju u pojedinim distribucijama.

Njihove konfiguracije zavise od konfiguracija mreže 110 kV i niskonaponske (0,4 kV) mreže.

Generalno se može usvojiti da postoje tri tipa ovih mreža:

• •Gradske.
• •Seoske (uključujući prigradske).
• •Industrijske.

Veće korišćenje električne energije u gradovima, postojanje značajnih i osetljivih objekata i slično, dovode do zahteva za pouzdanim napajanjem potrošača.

Zbog urbanističkih rešenja, u gradovima se po pravilu primenjuju kablovske mreže. Prenosne snage srednjenaponskih kablova su velike (reda nekoliko MVA), ali su i vremena za otklanjanje kvarova na njima relativno velika. To uslovljava ključni princip kod ovih mreža da se mora obezbediti mogućnost rezervnog napajanja za slučaj jednostrukog kvara na kablovima. Ovo je tzv. princip (n−1) sigurnosti. Da bi se vršilo poređenje različitih koncepcija mreža, moraju se uvesti neki pokazatelji iskorišćenja distributivnih mreža.

Najčešći pokazatelji iskorišćenja distributivnih mreža su: faktor rezerve, faktor privremene preopteretivosti i faktor iskorišćenja. Ovi pokazatelji biće izvedeni na kraju ove teme.

Radijalna mreža bez rezervnih elemenata

Radijalni vodovi bez mogućnosti rezervnog napajanja u slučaju kvara. Pri kvaru bilo gde na vodu isključuje se prekidač na početku voda i svi potrošači ostaju bez napajanja sve dok se kvar ne otkloni. Da bi se sprečili duži prekidi u napajanju, neophodne su mobilne ekipe za brzo otklanjanje kvara.

Ovo je najjeftiniji tip mreža. One se koriste u područjima sa malom površinskom gustinom opterećenja i gde ne postoje osetljivi potrošači kojima se mora obezbediti visok nivo neprekidnosti napajanja potrošača. Ovo uslovi su ispunjeni u seoskim područjima, gde prekidi u napajanju ne dovode do velikih šteta.

Mreža sa otvorenim polupetljama

Princip otvorene polupetlje, koji je tipičan za gradske kablovske mreže, prikazan je na donjoj slici:

gde su detalji ogranaka I i II dati na donjoj slici:

Na prethodnim slikama na početku vodova su prekidači P (u stanju da prekidaju struje kratkih spojeva) dok se kod distributivnih transformatora nalaze rastavljači snage RS (u stanju da prekidaju radne struje).

U normalnom pogonu petlje su otvorene (na prethodnoj slici na rastavljaču snage RS₆). Ako bi se ove mreže realizovale samo sa prekidačima (i na mestima rastavljača snaga) troškovi izgradnje bi se udvostručili. Prekidačima se ne bi značajno skratili prekidi u napajanju. Dakle, rešenje samo sa prekidačima na svim mestima se ne isplati. Jedino se izvodi petlji na sabirnicama srednjeg napona u TS VN/SN realizuju prekidačima.

Ako dođe do kvara na nekoj deonici isključuje se prekidač polupetlje kojoj pripada ta deonica. Po isključenju deonice u kvaru zatvara se prekidač te polupetlje i odgovarajući rastavljač snage. Time se omogućava napajanje svih potrošača.

Primera radi, normalno radno stanje mreže prikazano je na prethodnoj slici. Ako se kvar dogodi na označenom mestu (KS) redosled manipulacija za restauraciju napajanja kod svih potrošača sprovodi se kroz sledeće korake:

• •Otvaranje prekidača P₁ u cilju eliminacije kvara. Na taj način čitava polupetlja ostaje bez napajanja.
• •Otvaranje rastavljača snage RS₁ u cilju izolacije kvara.
• •Zatvaranje rastavljača snage RS₆ u cilju vraćanja napajanja potrošačima koji su ostali bez njega.

Prethodnim manipulacijama svi potrošači imaju napajanje preko donje polupetlje.

Efikasnost ove koncepcije biće analizirana kada budu definisani pokazatelji efikasnosti.

Prethodna osnovna konfiguracija ima i neke svoje modifikacije. Jedna od njih naziva se koncepcija isturenih otvorenih petlji. U toj koncepciji više radijalnih ogranaka preuzima opterećenje, a ne samo jedan kao na prethodnoj šemi. To se vidi iz prve šeme, gde su mogući različiti načini napajanja potrošača.

Aproksimativni proračun dužine srednjenaponske mreže vrši se na sledeći način:

• •Pretpostavlja se da se izvorna TS nalazi u centru, a da podjednak broj kablovskih polupetlji polaze iz svake strane kvadranta. Neka je rastojanje između dve susedne TS SN/NN $L_d$.
• •Ukupna aktivna dužina mreže (kablova) je $L_a = n_sL_d$, gde je $n_s$ ukupan broj TS SN/NN.
• •Na prvom kablu TS su ravnomerno raspoređene. Na drugom kablu postoji određena dužina gde nije locirana TS, pošto se taj deo napaja sa prvog kabla. Taj deo je $L_d$. Za treći kabl taj deo je $2L_d$, a za četvrti $3L_d$ itd. Ako na jednoj strani kvadrata postoji $n_{1izv}$, onda je produženi deo poslednjeg kabla u tom kvadrantu $(n_{1izv} - 1)L_d$. To znači da je produženi deo mreže:

odnosno ako je ukupan broj izvoda u TS VN/SN $n_{izv}$:

• •Izraz u prethodnoj zagradi predstavlja algebarsku progresiju, pa je:

• •Rezervni deo mreže podrazumeva deo mreže koji se koristi za povezivanje polupetlji. Ako se pretpostavi da je deo koji povezuje dve polupetlje $L_d$, onda je rezervni deo mreže:

• •To znači da je ukupna dužina idealizovane mreže sa otvorenim petljama:

Mreža sa rezervnim kablom

Ovakva konfiguracija još se naziva pramen ili klas. To je nastavak razvoja sistema otvorenih petlji. U toj koncepciji jedan rezervni kabl obezbeđuje rezervno napajanje za ispad bilo kog radnog kabla.

U normalnom pogonu rezervni kabl je u pogonu, ali neopterećen, kako bi se znalo ako na njemu dođe do kvara. Zbog toga on polazi iz TS SN/NN bez prekida, što znači da ga ne sme prekidati ni rastavljač snage. Ovo se postiže vezivanjem glava na glavu, kao na slici (rezervni kabl je kabl K₂):

Osnovno pitanje kod ovog tipa mreža je koliko radnih kablova dolazi na jedan rezervni? Obično se u proseku koristi 4 radna kabla po jednom rezervnom (mada može i više).

Pod pretpostavkom da se kablovi opterećuju do pune pojedinačne termičke granice, zajedničko prosečno iskorišćenje sistema sa 4 radna na jedan rezervni kabl je 4/5, što je više nego u slučaju otvorenih petlji.

Mreža sa rezervnim kablom i kontrastanicom

Kod ove varijante svi radni, kao i rezervni kabl završavaju se na zajedničkim sabirnicama srednjeg napona u dodatnom postrojenju (kontrastanica), koja se obično nalazi u nekom malom objektu. Pošto je rezervni kabl pod naponom, onda su i sabirnice kontrastanice pod naponom.

Radni kablovi su normalno odvojeni od sabirnica kontrastanice rastavljačima snage.

Modifikacija za ovo rešenje u odnosu na prethodno data je na slici:

Svakako da ovo rešenje sa kontrastanicom zahteva veće investicije od rešenja sa rezervnim kablom. Pored toga, povećane su i dužine radnih kablova, zbog povezivanja u kontrastanicu.

Moguće je da u budućem razvoju sistema kontrastanica preraste u klasičnu TS VN/SN.

Mreža sa dvostrukim fiderima i dvostrukim ograncima

Fider – glavni napojni vod.

Kod ovog sistema se na dvostruke glavne fidere priključuju preko T spojnica dvostruki kablovi-ogranci manjeg preseka, a na njih TS SN/NN (sa ili bez lokalne automatike), kao na slici:

U slučaju kvara na glavnom kablu ili ogranku, napajanje TS SN/NN se prebacuje na ispravni kabl. Pri primeni lokalne automatike, praktično se eliminišu prekidi u napajanju.

Sistem sa dvostrukim fiderima i dvostrukim ograncima može da bude ekonomičniji od drugih rešenja, naročito kada su napajane TS SN/NN znatno udaljene od glavnih kablovskih pravaca.

Negativna strana ovog rešenja dolazi do izražaja kada se oba fidera polažu u isti rov, što daje mogućnost da dođe do njihovog jednovremenog oštećenja i prekida napajanja. Naravno, pouzdanija je varijanta sa fiderima u posebnim rovovima.

Mreža napona 0,4 kV

Prema vrsti vodova, niskonaponske mreže se dele na: nadzemne i kablovske.

Prema presecima vodova, niskonaponske mreže su sa homogenim i heterogenim presecima.

Postoje dva osnovna načina izvođenja: radijalni i sa mogućnošću rezervnog napajanja. U uslovima velikih površinskih gustina opterećenja i gde postoje povećani zahtevi za pouzdanošću moguća je i primena složeno-petljastih mreža.

Prema načinu priključenja potrošača, postoje dva tipa (podela važi za kablovske mreže):

• 1) po principu ulaz-izlaz, i
• 2) sa otcepima preko T-spojnica.

Generalna pravila konfigurisanja niskonaponskih mreža su:

• •U gradskim uslovima koriste se kablovske mreže.
• •U seoskim (prigradskim) uslovima, koje odlikuje mala gustina opterećenja, vazdušni vodovi imaju prednost nad kablovskim vodovima.
• •Kada u seoskim područjima raste površinska gustina opterećenja kablovi stiču prednost u odnosu na vazdušne mreže. Da li će se koristiti vazdušna ili kablovska mreža, odgovor daje tehničko-ekonomska analiza.
• •Rešenja kablovskih mreža su vrlo različita, zavisno od tipa grada, arhitekture, površinske gustine opterećenja i slično. Generalno, glavni vodovi prate saobraćajnice, a na raskrsnicama se postavljaju razvodni ormani.
• •Stambene jedinice se vezuju preko T-spojnica ili prolaznih spojnica.
• •Broj kablova po ulici zavisi od površinske gustine opterećenja, širine ulice i ukupnih troškova.
• •Petljaste mreže su u prednosti u odnosu na radijalne, jer je pouzdanost snabdevanja veća, naponske prilike bolje i bolja ravnomernost opterećenja.
• •Glavni nedostatak petljastih mreža su visoke struje jednopolnog zemljospoja na strani niskog napona.

Može se zaključiti da većina niskonaponskih mreža radi kao radijalna. Taj pristup se odlikuje jednostavnošću i praktičnošću. Pri tome, svaka TS SN/NN ima svoju oblast snabdevanja. Rezerviranje se vrši preko razvodnih ormana.

Kod niskonaponskih mreža vrlo važan problem je razvoj, odnosno dogradnja novih kapaciteta pri porastu konzuma. Tada se dodaju nove TS SN/NN u čvorovima gde je to potrebno.

Radijalna niskonaponska mreža

Svaki kvar na rednom elementu od TS SN/NN do potrošača izaziva prekid u napajanju do otklanjanja kvara. Ovo je svakako mana. Drugi nedostatak ovog rešenja je i da pri velikim opterećenjima može doći do loših naponskih prilika u mreži. Takođe, one teže podnose udarna opterećenja (na primer, usled uključenja asinhronih motora). Međutim, zbog svoje jednostavnosti i ekonomije, ovo rešenje je dosta rasprostranjeno u praksi.

Pored ovog osnovnog rešenja koriste se i rešenja sa mogućnošću rezervnog napajanja na NN, ili čak petljasta niskonaponska mreža. Ovo se mora primeniti u slučaju potrošača kod kojih se ne smeju dozvoliti duži prekidi u napajanju.

Složeno petljasta višestruko napajana mreža

To su učvorene mreže rešetkaste strukture, koje prate konfiguraciju ulica. U ovoj koncepciji razvodni ormani su vrlo bitni. Oni su snabdeveni osiguračima i sabirnicama (u njima naravno nema transformatora).

Na donjoj slici je prikazana petljasta niskonaponska mreža u sprezi sa srednjenaponskom mrežom.

Ovakva konfiguracija koristi se gde su velike površinske gustine opterećenja i gde su veliki zahtevi za pouzdanošću napajanja. Poželjno je da parametri SN mreže i transformatora budu istih karakteristika, kako bi se izbegle struje izjednačenja.

Zaštita niskonaponskih vodova vrši se preko visokoučinskih osigurača. Oni se postavljaju na oba kraja niskonaponskog voda. Transformator SN/NN mora da ima prekidač sa releom povratne snage, koji treba da isključi vod kada dođe do tokova snaga od niskonaponske ka srednjenaponskoj mreži.

Po principu (n−1) sigurnosti imaju se parovi izvoda (na primer 4) koji polaze sa sabirnica SN (isključuju se prekidačima P₁– P₄). Ovo znači da ako ispadne jedna polupetlja, druga preuzima njeno opterećenje. Ako bi se koristio princip (n−2) sigurnosti, onda bi morali da se koriste tripleti kablovskih izvoda po jednom bloku (na primer 6). Srednjenaponska mreža je realizovana u vidu otvorenog poluprstena.

U svakom čvorištu (raskrsnici) ima po 4 ili 8 niskonaponskih kablovskih vodova. Ako bi se šema analizirala po principu (n−1) sigurnosti, odnosno jednostrukog kvara, onda nema prekida u napajanju na niskom naponu. To znači da ovako koncipirana mreža ima veliku pouzdanost.

Pokazatelji iskorišćenja distributivnih elemenata

Praktično svi se definišu na bazi opterećenja.

Najčešće se definišu sledeća tri pokazatelja:

Faktor rezerve (r)

Definiše se kao:

gde su:

• $S_p$ – privremeno opterećenje pri rezervnom napajanju u nužnom radu (ono opterećenje koje se sme dozvoliti sa aspekta tehničkih mogućnosti elemenata). Računa se sa aspekta zagrevanja.
• $S_{max}$ – maksimalno dozvoljeno opterećenje voda u normalnom radu.

Uticaj faktora rezerve najlakše se ilustruje na primeru paralelnih vodova:

Sa prethodne slike maksimalno opterećenje jednog voda je:

dok je maksimalno opterećenje (praktično privremeno opterećenje) jednog voda pri jednostrukom ispadu:

Na osnovu prethodnih izraza definiše se faktor rezerve:

Faktori rezervi za pojedine slučajeve broja paralelnih vodova dati su u tabeli:

Znači, uvek važi:

Faktor privremene preopteretivosti ($\pi$)

Definiše se kao:

gde je:

• $S_n$ – nominalno (normalno) opterećenje elementa.

Međutim, problem je u tome što $S_n$ nema jedinstveno tumačenje za sve elemente. U tom pogledu specifični su slučajevi sledećih elemenata:

Transformator: $\boldsymbol{S_n = S_{nT}}$

To je ono opterećenje kada transformator radi sa nominalnom snagom definisanom u odnosu na zagrevanje. Drugačije rečeno, sa tim opterećenjem može raditi čitav radni vek bez negativnih posledica.

Nadzemni vod: $\boldsymbol{S_n = S_{ek}}$

U prethodnom izrazu $S_{ek}$ je opterećenje pri kome su ukupni godišnji troškovi tog voda minimalni (ekonomska gustina struje Al-Če vodova je 1 A/mm²).

Međutim, ovo opterećenje je znatno manje od termički dozvoljenog ($S_{th}$).

Može se približno uzeti da je:

Dakle, suština je u tome da se nadzemni vod u datim uslovima može opteretiti dvostrukim opterećenjem u odnosu na njegovo nominalno opterećenje. To praktično znači da je nadzemni vod u stanju da rezerviše ispad istog takvog nadzemnog voda. Znači, umesto dva voda može da radi samo jedan. Naravno da ovo nije ekonomičan pogon, ali pošto se pri ispadu (koji obično traje vrlo kratko) samo traži sigurnost, onda je ovaj efekat vrlo značajan.

Kablovski vod: $\boldsymbol{S_n = S_{th}}$

Fizički je ovo posledica otežanog hlađenja kabla, pa nije isto kao kod vazdušnih vodova.

Za kablove srednjeg napona je $\pi = 1{,}2$, što znači da se može dozvoliti kratkotrajno preopterećenje od 20 %, a vremenska konstanta zagrevanja kabla je reda 0,5 sati.

Dozvoljeno preopterećenje transformatora je vrlo složeno. Njihova vremenska konstanta zagrevanja je reda 3 do 4 sata (za velike transformatore), odnosno 1 sat (za male transformatore).

Faktor iskorišćenja (i)

Definiše se kao:

Primer:

Kablovska mreža (za koju se zna da je $\pi = 1{,}2$) je koncipirana po principu otvorenih poluprstenova (napred definisana konfiguracija, čija je slika ponovljena dole). Za ovu konfiguraciju se zna da je $r = 2$.

To znači da je:

što znači da je iskorišćenost mreže 60 % od onoga što kablovi mogu dati u odnosu na privremeno preopterećenje.

Drugačije rečeno, poluprsten nema smisla za $i = 1{,}0$, jer tada nema nikakve rezerve u prenosnom kapacitetu, pa bi ispad jednog kabla značio i ispad potrošača.