Villamos Energetika előadás Rácz Árpád Villamosmérnöki Tanszék Debreceni Egyetem
Fogalmi pontosítás: • „Erősáram” és „Gyengeáram”, mint köznapi szóhasználat. • Villamosságot kétféle felhasználás jellemzi: – Ha a cél az energia előállítás, átalakítás, szállítás és felhasználás, akkor villamos energetikáról beszélünk. – Ha a cél a villamos jel előállítása, átalakítása, továbbítása és vétele, akkor híradástechnikáról, informatikáról beszélünk.
Villamos energetika feladatai: • Villamos energia előállítása, átalakítása, szállítása, célszerű felhasználása; • Bonyolult fizikai – kémiai folyamatok ipari szintű működtetése; • Az előbbiek kiszolgálásához szükséges eszközök és rendszerek alkalmazása; • A felsoroltak fejlesztése természettudományos, műszaki és gazdasági ismeretekre alapozva.
Fogalmak • Erőmű: Természeti energia átalakítása villamos energiává. • Hálózatok: Távvezetékekből (szabadvezeték és kábel) és alállomásokból (kapcsoló és transzformátor állomás). • Villamos művek: Erőművek és hálózatok berendezései. • Fogyasztói berendezések: A villamos energiát a szükségletnek megfelelő energiává alakítják át és hasznosítják.
Az energia
Energiaforrások
A villamosenergia-ellátás folyamata, a természeti energiahordozók átalakítása villamos energiává: • Primer energiahordozók: szén, olaj, földgáz, hasadóanyagok, a víz mozgási és helyzeti energiája, biomassza eredeti fellelési állapotukban nem alkalmasak közvetlen felhasználásra; • A primer energiahordozók célszerű átalakított, közvetítő formája a villamos energia, amely már alkalmas a mechanikai munkavégzési, hő, fény stb igények kielégítésére. • Energiaellátás folyamata a következő ábrán látható.
Villamosenergia-rendszerek kialakulása
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • Az első mechanikai erőforrás – ember Pfoly.<100W – ló Pfoly.<400W
egy munkanap alatt 0,8 kWh 11
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • Vízenergia – az első időben malomkereket forgattak vele – később hámorok létesültek a vízkerekes meghajtással
12
A villamosenergia-rendszerek kialakulása
http://www.hooverdam.usbr.gov
13
14
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • Szélenergia – szélmalmok
15
A villamosenergia-rendszerek kialakulása
– Hajózás 16
A villamosenergia-rendszerek kialakulása
XIX. század 17
napjainkban
18
A villamosenergia-rendszerek kialakulása
19
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • Rövid számítás: 1 ember 1 nap alatt: 0,8 kWh=2880 kJ 10 dkg szén (30000 kJ/kg) 10 kg szén 1 %-hatásfokú gőzgépet használva: 10*30000*0,01=3000 kJ
20
!
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • Gőzturbina – 1884 Charles Parson – 1888 75 kW – 1900 1 MW – 70-es évek 1-1,5 GW
• 40-43 % hatásfok
21
A villamosenergia-rendszerek kialakulása
• Gázturbinák – 1930-as évek
• 1944 Me 262
22
A villamosenergiarendszerek kialakulása • 1958 – vadászbombázók – utasszállítók
• 1969 Boeing 747 – 20 kN – 60 MW 23
A villamosenergia-rendszerek kialakulása • 1940-es évektől
– Olaj és gázvezetékek hajtása – Szükségáramforrások 15 MW – Csúcsidejű generátorok 15-150 MW
• 25-35 % hatásfok 24
A villamosenergia-rendszerek kialakulása Munkagép és hajtógép – távolság – hatásfok
– XVIII. sz. mechanikus „távvezetékek” 25
A villamosenergia-rendszerek kialakulása 1861 Dinamo feltalálása (Jedlik) 1879 Szénszálas izzólámpa (Edison) 1882 Első erőmű Londonban a Hobon Viaduct világításához 1883 Transzformátor (Bláthy, Déri, Zipernowsky) 1883 Többfázisú áram (Nikola Tesla) 1884 Váltakozóáramú 2 és 3 fázisú generátor (Ben Eschenbog) 1885-1886 Transzformátoros váltakozó áramú rendszer (W.Stanley Massachusetts-ben) 1893 Háromfázisú vezeték (Niagara-Buffalo) 43 km, 11 kV, 7,5 MVA, 25 Hz (Forles) 1900-1970 Különböző feszültségszintek kialakulása 1954 Az első nagyfeszültségű egyenáramú energiaátvitel (Svéd Gotland kábel, 100 kV, 20 MW, 96 km) 1984-1987 Itaipu - Sao Paulo egyenáramú átvitel (± 600 kV, 6300 MW, 800 km)
26
A villamosenergia-rendszerek kialakulása 1878 Ganz Gyár szerelőcsarnokában ívlámpák 1884 közcélú villamosenergia szolgáltatás Temesváron 1879 Szénszálas izzólámpa (Edison) 1914 Kelenföldi erőmű Nagyfeszültségű hálózat: 1930 Bánhidai Erőmű - Budapest (Kőtér) 100 kV-os vezeték 1949 Országos Villamos Teherelosztó létrehozása 1952-1962 A 100 kV-os főelosztó 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
27
1879.
28
29
1861 30
31
32
1883
1884. Temesvár
33
A villamos energia rendszer
Áttekintés
Terhelési / fogyasztási görbe
Napi fogyasztási görbe példák
http://www.mavir.hu/web/mavir/ver-forgalmiadatok
Terhelési görbe részei • Alapterhelés: Az alapterhelés az a teljesítmény, amelyre állandóan szükség van. Ezt alacsony üzemeltetési költségű alaperőművek fedezik. • Csúcsterhelés: A csúcsterhelés a legmagasabb terhelésű időszakban keletkezik (pl. délben). Ezek fedezésére – rendszerint csak rövid időszakokra –- költséges csúcserőművek bekapcsolására van szükség.
Erőmű fajták terhelési szempontból • Alaperőmű: az energiarendszer alapterhelését viszi, amely az egész évben viszonylag egyenletes. • Menetrendtartó erőmű: a napi egyenletes terhelésen kívüli kisebb terhelésváltozások fedezésére szolgáló erőmű. • Csúcserőmű: indulása viszonylag gyors és rugalmas, nem kell a csúcsterhelés jelentkezése előtt már hosszú órákkal korábban előkészíteni.
Terhelési szintek éves eloszlása
Éves terhelési görbe
A villamosenergiarendszerek kialakulása
http://www.mavir.hu 42
A villamosenergiarendszerek kialakulása
43
http://www.mvm.hu
VER felépítési struktúrája • • • • •
MAVIR (magyar VER rendszerirányító), KEK (személyzet nélküli kezelő központ), KDSZ (körzeti diszpécser szolgálat), KEK+KDSZ (főelosztói hálózat felügyelete), ÜIK (üzemirányító központok, közép és kisfeszültségű hálózati felügyelet).
A villamos energia előállítása
Methods of generating electricity • Static electricity, from the physical separation and transport of charge (examples: triboelectric effect and lightning) • Electromagnetic induction, where an electrical generator, dynamo or alternator transforms kinetic energy (energy of motion) into electricity. This is the most used form for generating electricity and is based on Faraday's law. It can be experimented by simply rotating a magnet within closed loop of a conducting material (e.g. copper wire) • Electrochemistry, the direct transformation of chemical energy into electricity, as in a battery, fuel cell or nerve impulse • Photoelectric effect, the transformation of light into electrical energy, as in solar cells • Thermoelectric effect, the direct conversion of temperature differences to electricity, as in thermocouples, thermopiles, and thermionic converters. • Piezoelectric effect, from the mechanical strain of electrically anisotropic molecules or crystals. • Nuclear transformation, the creation and acceleration of charged particles (examples: betavoltaics or alpha particle emission)
Turbines 1. • Most electric generation is driven by heat engines. The combustion of fossil fuels supplies most of the heat to these engines, with a significant fraction from nuclear fission and some from renewable sources. The modern steam turbine (invented by Sir Charles Parsons in 1884) currently generates about 80% of the electric power in the world using a variety of heat sources. • All turbines are driven by a fluid acting as an intermediate energy carrier. Many of the heat engines are turbines. Other types of turbines can be driven by wind or falling water.
A villamos energia rendszer stabilitása • A villamosenergia-ellátás minőségi jellemzői a frekvencia értéke, a feszültség effektív értéke és hullámalakja. • A váltakozó áramú rendszerek frekvenciája az alapharmonikus feszültség másodpercenkénti szinusz-periódusainak mérőszáma, meghatározása a T alapharmonikus periódusidő mérésén alapul, érteke definició szerint: f[Hz]=1/T[s]. Állandósult állapotban egy szinkronjáró villamosenergiarendszerben mindenütt azonos a frekvencia, amelynek értékére igen szigorú előírások vonatkoznak. A frekvencia névleges értéke 50 Hz, a megengedhető eltérés 50 Hz±20 mHz a megfigyelési időtartam 100%ában. A megfigyelési időtartam egy hétre vonatkozik, a 10 másodperces mérési időtartamok középértékének figyelembevételével. • A feszültség a frekvenciával szemben lokális jellemző, effektív értéke az azonos feszültségszintű hálózatban is pontról pontra különbözik az átvitellel járó feszültségváltozás következményeként. A névleges értéktől való megengedett eltérés feszültségszintenként különböző lehet, ennek %os mértéke lényegesen nagyobb, mint a frekvenciáé.
Frekvencia függése a terheléstől Pm – a generátorokba betáplált mechanikai teljesítmény Pt – az összes fogyasztó terhelése A frekvencia stabil, ha Pm = Pt (a veszteségeket leszámítva). Ha Pm < Pt -> a frekvencia csökken. Ha Pm > Pt -> a frekvencia nő.
Advantage of interconnected systems
Stability • Systems that are interconnected have greater reserve power than a system working alone. • In effect, a large system is better able to withstand a large disturbance and, consequently, it is inherently more stable. • For example if the load suddenly increases in region R1 • energy immediately flows from stations G2 and G3 and over the interconnecting tie-lines. • The heavy load is, therefore shared by all three stations in-stead of being carried by one alone.
Continuity of Service • If a generating station should break down. or if it has to be shut down for annual inspection and repair, the customers it serves can temporarily be supplied by the two remaining stations. • Energy flowing over the tie-lines is automatically metered and credited to the station that supplies it, less any wheeling charges. • A wheeling charge is the amount paid to another electric utility when its transmission lines are used to deliver power to a third party.
Economy • When several regions are interconnected, the load can be shared among the various generating stations so that the overall operating cost is minimized. • For example, instead of operating all three stations at reduced capacity during the night when demand is low, we can shut down one station completely and let the others carry the load. • In this way we greatly reduce the operating cost of one station while improving the efficiency of the other stations, because they now run closer to their rated capacity.
További információk https://vet.bme.hu/sites/default/files/tamop/vi vem265/out/html/vivem265.html
Sources of energy
Sources Steam - Water is boiled by: • Nuclear fission • The burning of fossil fuels (coal, natural gas, or petroleum). In hot gas (gas turbine), turbines are driven directly by gases produced by the combustion of natural gas or oil. Combined cycle gas turbine plants are driven by both steam and natural gas. They generate power by burning natural gas in a gas turbine and use residual heat to generate additional electricity from steam. These plants offer efficiencies of up to 60%. • Renewables – The steam is generated by: – Biomass – Solar thermal energy (the sun as the heat source): solar parabolic troughs and solar power towers concentrate sunlight to heat a heat transfer fluid, which is then used to produce steam. – Geothermal power. Either steam under pressure emerges from the ground and drives a turbine or hot water evaporates a low boiling liquid to create vapour to drive a turbine. – Ocean thermal energy conversion (OTEC ): uses the small difference between cooler deep and warmer surface ocean waters to run a heat engine (usually a turbine).
Other renewable sources • Water (hydroelectric) - Turbine blades are acted upon by flowing water, produced by hydroelectric dams or tidal forces. • Wind - Most wind turbines generate electricity from naturally occurring wind. Solar updraft towers use wind that is artificially produced inside the chimney by heating it with sunlight, and are more properly seen as forms of solar thermal energy. • Photovoltaic – Solar cells converts sunlight directly into electrical energy.
A nem megújuló energiaforrások: Ásványi szenek • Az ásványi szenek különböző összetételű és változatos széntartalmú anyagok keveréke. • Kialakulásuk évmilliók alatt • Mocsarak növényeinek elhalásával, felhalmozódásával és levegőtől elzártan, nagy nyomáson történő bomlásával keletkezik.
lo
Az ásványi szenek csoportosítása • • • • •
Tőzeg Lignit Barnakőszén Feketekőszén Antracit
Kitermelés Bányászat
Külszíni fejtés
A földgáz és a kőolaj • • • • •
Kialakulásuk évmilliók alatt történik Elpusztult élőlények, planktonok anyagából Oxigéntől elzártan, sós környezetben Nagy nyomáson Szénhidrogének keveréke
Kitermelése • Két boltozatos agyagréteg közül, fúrással, szivattyúzással
A kőolaj feldolgozása • A kőolaj 5-nél magasabb szénatom-számú szénhidrogének keveréke. • A feldolgozás célja, hogy a benne lévő vegyületeket hasonló forráspontú csoportokra, frakciókra válasszák szét.
A kőolaj frakciói • • • • •
A benzin színtelen, A petróleum világos sárga A gázolaj sárga A pakura fekete folyadék A bitumen sötét, sűrű anyag.
A benzin jellegzetes szagú, könnyen párolgó, tűzveszélyes folyadék. Levegővel érintkezve gőzei robbanó elegyet képeznek Belsőégésű motorok üzemanyaga
A petróleum, a kerozin és a gázolaj • A petróleum: jellegzetes szagú, halványsárga folyadék világításra használták, ma sugárhajtású repülők üzemanyaga -60°C fagyáspont alatti keveréke a kerozin. • A gázolaj kellemetlen szagú, sárga folyadék, dízelmotorok üzemanyaga, olajkályhák fűtőanyaga
A pakura és az aszfalt • A pakura sötétbarna, sűrű folyadék. gyakran használják a gyógyászatban, kozmetikai szerekben vagy éppen tüzelésre. • Az aszfalt a feldolgozás során visszamaradó sűrű fekete anyag, melyet útburkolásra, illetve szigetelésre használnak
Fossil-fuel power station • A fossil-fuel power station is a type of power station that burns fossil fuels such as coal, natural gas or petroleum (oil) to produce electricity. • Fossil fuel power stations have rotating machinery to convert the heat energy of combustion into mechanical energy, which then operates an electrical generator. (chemical energy → mechanical energy → electric energy)
• Central station fossil-fuel power plants are designed on a large scale for continuous operation. • In many countries, such plants provide most of the electrical energy used.
Big Bend Power Station (coal, U.S.)
Currant Creek Power Plant near Mona, Utah is a natural gas fired electrical plant.
Environmental impact • The combustion of coal contributes the most to acid rain and air pollution. • The pollution from coal-fired power plants comes from the emission of gases such as carbon dioxide, nitrogen oxides, and sulfur dioxide into the air. • Acid rain is caused by the emission of nitrogen oxides and sulfur dioxide. • Another problem related to coal combustion is the emission of particulates. • Power plants remove particulate from the flue gas with the use of a bag house or electrostatic precipitator.
Cogeneration • Cogeneration (also combined heat and power, CHP) is the use of a heat engine or a power station to simultaneously generate both electricity and useful heat. • All thermal power plants emit a certain amount of heat during electricity generation. This can be released into the natural environment through cooling towers, flue gas, or by other means. • CHP captures some or all of the by-product heat for heating purposes, either very close to the plant, or— especially in Scandinavia and eastern Europe—as hot water for district heating with temperatures ranging from approximately 80 to 130 °C.
A 250 MW cogeneration plant in Cambridge, Massachusetts
Nuclear power plant • A nuclear power plant is a thermal power station in which the heat source is one or more nuclear reactors. (nuclear energy → heat energy → electric energy)
• As in a conventional thermal power station the heat is used to generate steam which drives a steam turbine connected to a generator which produces electricity. • Nuclear power plants are usually considered to be base load stations, which are best suited to constant power output.
Nuclear reactors • A nuclear reactor is a device to initiate and control a sustained nuclear chain reaction. • The most common use of nuclear reactors is for the generation of electric energy and for the propulsion of ships. • In nuclear power plants, different types of reactors, nuclear fuels, and cooling circuits and moderators are sometimes used.
Hydroelectric Power • The production of electrical power through the use of the gravitational force of falling or flowing water. (potential or kinetic energy) • It is the most widely used form of renewable energy, accounting for 16 percent of global electricity consumption, and 3,427 terawatthours of electricity production in 2010
The hydrologic cycle
Generating methods - Dams • Most hydroelectric power comes from the potential energy of dammed water driving a water turbine and generator. • The power extracted from the water depends on the volume and on the difference in height between the source and the water's outflow. • This height difference is called the head. The amount of potential energy in water is proportional to the head. • A large pipe (the "penstock") delivers water to the turbine.
Calculating available power • A simple formula for approximating electric power production at a hydroelectric plant is: P=ρhrgk, where – – – – – –
P is Power in watts, ρ is the density of water (~1000 kg/m3), h is height in meters, r is flow rate in cubic meters per second, g is acceleration due to gravity of 9.8 m/s2, k is a coefficient of efficiency ranging from 0 to 1. Efficiency is often higher (that is, closer to 1) with larger and more modern turbines.
• Annual electric energy production depends on the available water supply. In some installations the water flow rate can vary by a factor of 10:1 over the course of a year.
Pico hydroelectricity in Mondulkiri, Cambodia
The Three Gorges Dam is the largest operating hydroelectric power station, at 22,500 MW.
The Ffestiniog Power Station can generate 360 MW of electricity within 60 seconds of the demand arising.
Advantages-Disadvantages • Flexibility • Low power costs • Suitability for industrial applications • Reduced CO2 emissions • Other uses of the reservoir
• Ecosystem damage and loss of land • Siltation and flow shortage • Methane emissions (from reservoirs) • Relocation • Failure risks
Sources of Electricity in France in 2006
Itaipu
107
A villamos energia átviteli rendszer
Overview
1 fázisú váltakozó feszültség
3 fázisú váltakozó feszültség
Delta kapcsolás
Csillag kapcsolás
A villamos hálózat felépítése, feszültségszintjei
Feszültség-szintek
Elnevezés
Feszültség szint
Tipikus értékek
Kisfeszültség (LV)
1kV alatt
230/400 V
Középfeszültség (MV)
1kV és 100 kV között
3, 6, 10, 20, 35 kV
Nagyfeszültség (HV)
100 kV felett
110, 220, 440 kV
Extra high-voltage (EHV) 400 kV felett
440, 750 kV
Különböző feszültségszintű távvezetékek átviteli jellemzői Un [kV]
I [A]
S [MVA] lmax [km]
400
1000
1000
500
120
500
100
60
20
200
10
10
0,4
100
0,1
0,5
115
The transmission system must… 1. Provide, at all times, the power that consumers need 2. Maintain a stable, nominal voltage that does not vary by more than ± 10% 3. Maintain a stable frequency that does not vary by more than ±O.I Hz 4. Supply energy at an acceptable price 5. Meet standards of safety 6. Respect environmental standards
Single-line diagram of a generation, transmission, and distribution system
Substations • Transmission substations change the line voltage by means of step-up and step-down transformers and regulate it by means of static var compensators, synchronous condensers, or transformers with variable taps. • Distribution substations change the medium volt-age to low voltage by means of step-down trans-formers. which may have automatic tap-changing capabilities to regulate the low voltage. The low voltage ranges from 120/240V single phase to 600 V 3-phase. It serves to power private residences. commercial and institutional establishments, and small industry. • Interconnecting substations tie different power systems together, to enable power exchanges between them. and to increase the stability of the overall network.
Types of power lines The design of a power line depends upon the following criteria: I. The amount of active power it has to transmit 2. The distance over which the power must be carried 3. The cost of the power line 4. Esthetic considerations, urban congestion, ease of installation, and expected load growth
Nagyfeszültségű hálózatok komponensei
123
125
Construction of a line
Lightning strokes
Equivalent circuit of a line
Methods of increasing the power capacity • To increase power capacity the only solution is to use two lines in one beside the other. • Note that doubling the size of the conductors would not help, because for such a line it is the reactance and not the resistance of the conductors that determines the maximum power that can be transmitted.
Sugaras hálózat
145
Hurkolt hálózat
146
147
Nagyfeszültségű kábelek szerkezete
148
Nagyfeszültségű kábelek szerkezete
149
Nagyfeszültségű DC energiaátvitel (HVDC)
HVDC konverter
AC vs. DC átvitel
AC vs. DC átvitel
AC vs. DC átvitel
12 ütemű híd egyenirányító
Monopoláris
Bipoláris
Megújuló energiaforrások
Fenntarthatóság (?)
Negajoule: energiatakarékosság
A legtisztább energia a meg nem termelt energia! Az EU energiafogyasztását költségtakarékos módon további 20%-al lehetne csökkenteni.
Negajoule: energiatakarékosság 2. A mai magyar lakossági és kommunális energiafogyasztás 25%-a gazdaságosan megtakarítható: 10% energiamegtakarítás: 25% energiamegtakarítás:
0-5 év megtérülési idő <10 év megtérülési idő
GAZDASÁGOS
40% energiamegtakarítás:
10 év feletti megtérülési idő
• • • • • • • • • • • •
napenergia-naperőmű napelem napkollektor vízenergia (vízerőmű) árapály-energia hullám energia szélenergia geotermikus energia biomassza bioetanol biodízel biogáz
Vízi energia
Vízi energia Magyarországon
Tiszalöki Erőmű
11,4 MW
Kiskörei Erőmű
Magyarországi erőművek villamos teljesítménye
28 MW
~ 7400 MW
„Sík vidéken nincs sok lehetőség!” – EZ NEM IGAZ
Napenergia A Napból érkező energia hasznosításának két alapvető módja létezik: a passzív és az aktív energiatermelés. -Passzív:hasznosításkor az épület tájolása és a felhasznált építőanyagok a meghatározóak. Ilyenkor az üvegházhatást használjuk ki hőtermelésre. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító minden olyan épület, amely környezeti adottságai, építészeti kialakítása következtében képes használni a Nap sugárzását mint energiaforrást. A passzív napenergia-hasznosítás főként az átmeneti időszakokban működik, vagyis akkor, mikor a külső hőmérséklet miatt az épületen már/még hőveszteség keletkezik, de a napsugárzás még/már jelentős.
Napenergia • Aktív energiatermelésnek két módja van. Első módszer, hogy a napenergiát hőenergiává alakítjuk. A jellegzetes napenergia hasznosító épületeken nagy üvegfelületek néznek déli irányba, melyeket estére hőszigetelő táblákkal fednek. Az üvegezésen keresztül a fény vastag, nagy hőtároló képességű padlóra és falakra esik, melyek külső felületei szintén hőszigeteltek, így hosszú időn át képesek tárolni az elnyelt hőt. A hőenergia „gyűjtése” és tárolása főképp napkollektorokkal történik. Ez az a berendezés, ami elnyeli a napsugárzás energiáját, átalakítja hőenergiává, majd ezt átadja valamilyen hőhordozó közegnek. • A másik módszerrel – az ún. fotovoltaikus eszköz (PV), vagyis napelem segítségével – a napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítjuk.
Napenergia Azt mondják ingyen van, csak fel kell használni ! Mi a helyzet Magyarországon ? Beérkező: júl. 5 kWh/m2/nap Hasznosítható: júl. 2,8 kWh/m2/nap
jan. 1,5 kWh/m2/nap
jan. 1,1 kWh/m2/nap
Mire elég ez ? Kicsi az energiasűrűség: 1kW/m2
200 liter 60°C –os víz/nap
14 kWh/nap
Lakásfűtés téli napokban átlagosan 1,4 kWh/m2
Háztartási melegvíz: igen
lakásfűtés: kevés
Naperőmű
80 MW teljesítményhez kell 464 000 m2 kollektor felület
A Nap Sun: „That big bright thing in the sky in the day.” Urban Dictionary
Napsugárzás: ~1 kW/m2 Napfényes órák Magyarországon: 1750-2250 óra/év Energia-tartalom: 1175-1325 kWh/m2 /év Hasznosítási módok: közvetlen, termikus, elektromos
Éves eloszlás Debrecenben
A napelem Fotoelektromos hatás felfedezése: 1839 (Alexandre-Edmond Becquerel) Első napelem: 1883 (Szelén-arany, ~1%-os hatásfok) Félvezető napelemek: 1954 (Bell Laboratories, szilícium alapú, ~6%os hatásfok)
Fotodióda
Napelemek
Napelemek Kristályos szilícium
Vékonyréteg
Festékérzékenyített
•Magas hatásfok •Hosszú élettartam •Kiforrott gyártástechnológia •Bőséges alapanyag •Költséges és sok veszélyes anyagot használó gyártás •Hatásfok csak lassan emelhető tovább
•Magas hatásfok •Közepes élettartam •Kiforrott és olcsó gyártás-technológia •Ritka és/vagy drága elemek az alapanyagok között •Nem terjedt el
•Fejlesztés alatt •Egyszerű és olcsó gyártás •Kihívások: megfelelő hatásfokot adó festék-molekulák előállítása, hatásfok, élettartam növelése
Szerves •Fejlesztés alatt •Egyszerű és olcsó gyártás •Környezetbarát alapanyagok •Kihívások: élettartam növelése
Panelgyártás
Napelemek piaci részesedése
A napelem működési elve
Napelem helyettesítő képe
Saját fejlesztésű mérőrendszer
A napelem típusai
Szilicium napelemek Egykristályos Si napelemek → legjobb hatásfok (15-18%) → 30 év élettartam
Polikristályos Si napelemek → hatásfok: 10-13% → 25 év élettartam
Amorf Si napelemek → hatásfok: 6-8% → legjobb ár/teljesítmény arány → hátrány: nagy felület szükséges ugyanazon teljesítmény előállításához
A napelem felhasználási módjai →Kisméretű fogyasztók energiaellátása Pl.: zsebszámológép
→Kihelyezett eszközök ellátása Pl.: mérő- és adatgyűjtő-állomások
→Elektromos hálózattól távoli helyek ellátása Pl.: tanyák, nyaralók, műholdak. űreszközök
→Elektromos energia-termelés
Nagyteljesítményű rendszerek Követelmény: A hálózati áramnak megfelelő (400/230 V, 50 Hz) váltóáram előállítása.
Típusai: →Rásegítő üzemmód →Sziget üzemmód →Közvetlen betáplálás
Sziget (autonóm) üzemmód
Rásegítő (kvázi-autonóm) üzemmód
Közvetlen betáplálás
Napelemes rendszerek
Maximum Power Point Tracking
Napkövetés
Villamosenergia-elosztás
Átlátszó napelem
Hajlékony napelemek
A jogi háttér 2008-tól: Háztartási méretű kiserőmű: olyan, a kisfeszültségű hálózatra csatlakozó kiserőmű, melynek csatlakozási teljesítménye nem haladja meg az 50 kVA-t Kötelező átvételi ár: mindenkori ár 80 %-a (lakossági áramár: ~43 Ft/kWh + ÁFA) Németország: 4-szerese!!!
Változások a villamos energia hálózatban • A megújulók megjelenése számos új kihívás elő állítja a villamos energia hálózat üzemeltetőit: – A fogyasztók termelőkké válhatnak (Prosumer) – A megújuló források termelése nem előjelezhető és nem szabályozható
Elektromos autók • Gyorstöltés – 30 perc alatt 80%-ra tölt • Ez min. 136 kW töltő-teljesítményt jelent. • Egy átlag lakás csatlakozás max. teljesítménye kb. 7 kW.
Megoldások? • • • •
Energiatárolás Smart Grid Szabályozás Törvények
Szélenergia
Nem ismeretlen, már régen is használták
Szélenergia
Szélfarmok szárazföldön és tengeren 1 MW-os turbina 45 méter magas a rotor átmérője 55 méter Európa szélmotorjainak teljesítménye 34 600 MW
Probléma: az elektromos energia tárolása, mi van ha nincs szél, a háttérben ott kell lenni ugyanakkora hagyományos erőműi kapacitásnak
Szélenergia • A szélenergia megújuló energiafajta, amelynek termelése környezetvédelmi és költségelőnyei miatt rohamos ütemben nő a világban, főleg Európában. • A szélturbinákat ma már ipari méretekben, nagy csoportokban is felhasználják szélfarmjaikon a nagy áramtermelők, de nem ritkák a kis egyedi turbinákat működtető telepek sem, amelyeknek különösen olyan környezetben veszik nagy hasznát, amelyek távol vannak a nagyfeszültségű elektromos hálózattól, ezért költséges lenne a felhasználás helyéig kiépíteni a vezetékeket.
Geotermikus energia
Geotermikus vízhasznosítási formák Kelet-Magyarországon • Hagyományos földhőhasznosítás (anyagfelhasználással történő) – Termál fürdő és balneoterápia – Északi-középhegység pereme (Egerszalók, Eger, Mezőkövesd, Kács, Miskolctapolca) – Északi részsüllyedék (Tiszafüred, Hajdúnánás) – Belső flis öv (Szolnok, Karcag, Hajdúszoboszló, Debrecen) – Déli részsüllyedék (Békés, Makó, Szentes)
Kelet-Magyarország felső-pannon képződményeinek hévízkészlete
– Kommunális – Jászság – termális ivóvíz hőelvonással
– Ipari – Debrecen – Bőrgyár
– Mezőgazdasági – Hajdúszoboszló – kertészet – Hajdú-Bihar megye – trópusi haltenyészet
– Többlépcsős komplex – Földes – fürdő, üvegház – Szentes – kórház, lakótelep, fürdő, üvegház
A debreceni rétegenergia (vízszint) csökkenés a hévíztermelés függvényében1932-1995 között (Újlaki P. nyomán)
Hévíztermelés és vízvisszasajtolás típusesetei
Párizsi geotermikus hőszivattyús távfűtő rendszer 4000 lakáshoz
• Új típusú földhő kinyerés, -hasznosítás (részben vagy teljesen anyagfelhasználás nélkül) – Hőszivattyús-földhő szondás hőtermelés (kis entalpiájú) – Talajvíz és sekélyrétegvíz
– Hőcserés hévízszolgáltatások (közepes entalpiájú) – Geotermikus (villamos) erőmű (nagy entalpiájú) – HDR (Hot Dry Rock)
•HŐSZIVATTYÚ MŰKÖDÉSE •Felépítését tekintve megegyezik a hűtőszekrények működési elvével, megbízhatósága is összemérhető vele, csak a feladat fordított. A hőszivattyú esetében a környezettől (víztől, talajtól, levegőtől) vonunk el hőt, és adjuk át a fűtési rendszernek.
A hőszivattyú elvi vázlata az anyagfelhasználás mentes hőkinyerés alapja
Vertikális kiképzésű hőszivattyú és földhőszonda telepítési vázlata
A szolnoki Széchenyi lakótelep kísérleti geotermikus referencia kútjának adatai és hőtermelő rendszere
Debrecen környékének jelentősebb mélyfúrásai és a tervezett érmelléki geotermikus erőmű helyszínrajza
Száraz forró kőzet (Hot Dry Rock) hőkinyerésének elvi vázlata kútpárral
Geotermikus energia • Magyarország kedvező helyzetben • Probléma: mit csináljunk a hőtartalmától megfosztott vízzel, ugyanis általában jelentős sótartalommal bír. • A természetes vizekbe beengedni tilos • Sajnos vissza kell préselni
Biomasszából energia Változatos források
Fa Legrégebben használt. Magyarország számára nem biztos, hogy megoldás. KEVÉS AZ ERDŐ
chips
pellet
Biomasszából energia Magyarországon fa helyett energianövények
Szarvasi energiafű
Energia fűz
Energia nyár 1 és 3 éves
1 MW villamos teljesítmény folyamatos fenntartása 35 km2 Ha Magyarország teljes területét bevetnénk 2657 MW teljesítményre lenne csak elég
Biomasszából energia
Bioetanol → motorhajtóanyag
ENERGIAMÉRLEG ????? Egységnyi etanol előállításkor felhasznált energia és egységnyi etanol felhasználásakor kapott energia viszonya.
kukorica
Biodízel • A biodízel növényi olajokból vagy (állati) zsírokból rövid lánchosszúságú mono alkohollal (metanollal, vagy etanollal) átészterezéssel (transzeszterifikációval) előállított észter alapú bioüzemanyag dízelmotorok számára, ami önmagában, fosszilis hajtóanyag helyettesítéseként, vagy azzal keverve annak pótanyagaként használható. Ennek használata azért előnyös, mert a kőolajjal szemben, aminek a képződése évmilliók eredménye, a biodízel alapanyagai viszonylag gyors biológiai folyamatoknak az eredménye.
Biodízel alkalmazása • Biodízel elsősorban jármű hajtóanyag helyettesítésére, vagy pótlására szolgál. Használatának azonban nincs akadálya álló (stationary) dízelmotorok üzemeltetésére amiket például hálózattól távoli önálló villany generáló telepeken alkalmaznak, de biodízel használható egyéni központi fűtésre is. • RME – repce-metil-észter • SME – napraforgó-metil-észter
Biogáz • A biogáz szerves anyagok baktériumok által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő termék. Körülbelül 45-70% metánt (CH4), 30-55% szén-dioxidot (CO2), nitrogént (N2), hidrogént (H2), kénhidrogént (H2S) és egyéb maradványgázokat tartalmaz (pl.: metilmerkaptánt (CH3SH)).
A biogáz-képződés biológiája • Hidrolízis: a hidrolízis folyamán a szerves anyagokat (fehérjék, zsírok, szénhidrátok) bakteriális enzimek alapegységekre bontják (aminosavakra, zsírsavakra, glükózra). • Acetogén fázis: ebben a fázisban az acetogén baktériumok az előző fázis anyagait alakítják ecetsavakká.
A biogáz-képződés biológiája • Savképződés: savképződéskor a feloldott anyagok szerves savakká (ecetsavvá, propionsavvá, vajsavvá), kis szénatomszámú alkoholokká, aldehidekké, hidrogénné, szén-dioxiddá és egyéb gázokká (például ammóniává, kénhidrogénné) alakulnak. Ez a folyamat addig tart, amíg a baktériumok saját lebontó tevékenységeik következtében el nem pusztulnak, fel nem oldódnak (az alacsony pH miatt a baktériumok életkörülményei már nem megfelelőek).
Energia-tárolás
Challenge - Intermittency • Wind – Blows at night and early morning – Can have periods of no wind
• Photovoltaics – Maximum output is not coincident with demand – Output can drop rapidly
Benefits of Storage • Forecasting of electricity demand is difficult • Makes the electricity grid more flexible, efficient and reliable • Production from renewables is sporadic and unpredictable • Store energy at night when cost and demands are low • Smarter grid with fewer new power plants • Lowers capital costs for utilities by reducing annual peaking requirement – fewer peakerplants available
Energy Storage vs. PeakerPlant
Energy Forecasting • When forecasts are high, plants ramp down their utilization rate • Adjusting output lowers efficiency • Stresses systems and decreases the lifespan of equipment
Renewable Energy Storage • Renewables produce intermittent output • Renewable energy production time-shift to peak demand • Power becomes dispatchable and more predictable
Off peak storage • Time shift of energy production • Increased efficiency and utilization rate of baseload plants
Storage Technologies • Pumped Hydro • Thermal • Batteries • Compressed Air • Molten Salt • Flywheels
Pumped Hydro
Pumped Hydro • Water is pumped uphill to a reservoir when demand is low, and allowed to run down through turbines when power is needed • Most widely utilized energy storage technology • 98% of total worldwide energy storage capacity • Limited by existing reservoirs • Recovers 75% of energy consumed • High dispatchability, can come online in as little as 15 seconds
Thermal Storage • Stored primarily as cooled fluid or ice produced at night to offset air conditioning electricity demand
Molten Salt • De-couples the production of solar energy from producing power • 60 percent sodium nitrate and 40 percent potassium-nitrate • Can store energy for up to a week • Insulated tanks keep salt from freezing • Studies by Sandia show that two tank storage system could have annual efficiencies as high as 99%
Molten Salt • Andasolsolar power station in Spain consists of two 50 MW solar thermal trough plants utilizing molten salt storage • Storage almost doubles operational hours per year • Full thermal reservoir allows 7.5 hours of full load production • Each plant has two tanks for molten salt storage measuring 14m in height and 36m in diameter
Plants with Molten Salt Storage and Capacities • Solar II – Power tower in Barstow, CA • Andasol– Trough in Granada, Spain • Nevada Solar One – Trough in Nevada • ExteresolI – Trough in Spain • La Florida – Trough in Spain
• 10MW – 3hrs • 2x50MW – 7.5hrs
• 64MW – 30mins • 50MW – 7.5hrs • 50MW – 7.5hrs
Steam Accumulator • PS 10 solar thermal power tower in Spain • Stores heated water in four pressurized tanks at 50 bar and 285°C • The water evaporates and flashes back to steam when the pressure is lowered • Storage capacity is 50% load operation for 50 minutes
Batteries • Electrical energy stored in chemical form • Several different types of large scale batteries available
Sodium-Sulfur Batteries • Operating temperatures of 300-350°C • 89-92% efficient • Liquid sodium serves as the negative electrode and liquid sulfur serves as the positive electrode • Currently 270 MW installed capacity in Japan, 9 MW in USA • 7.2 MW installed to support 11 MW wind power farm in Minnesota • Rubeniuswill install 1GW of NaS batteries in Mexicali, Mexico from single manufacturer - NGK Insulators
A lítium akkumulátor A. Bund, R. Peipmann: Galvanotechnik 104 (2013) 272
Netatív elektróda: LixC C + x Li+ + x eE ca. 0.05 V vs. Li+/Li Pozitív elektróda: Li1-xCoO2 + x Li+ + x e- LiCoO2 E ca. 4 V vs. Li+/Li
Kapacitás
Biztonság
www.tu-ilmenau.de/wt-ecg
Élettartam 284
Tárolási módok megoszlása
- Lítium akkumulátor fejlesztés ? - Lítium utáni technológiák - Nincs „akkumulátor MORE törvény”
Energy density of batteries
More info http://www.mpoweruk.com/chemistries.htm
Compressed Air Energy Storage (CAES) • Electricity is used to compress air into large storage tanks or underground caverns • Compressed air spins turbines when energy is needed
CAES • Diabatic Storage • Currently only one system in US -110 MW system in McIntosh, Al • Dissipates heat with intercoolers • Achieves 53% thermal efficiency • Requires fuel • Caverns created by solution mining, available in 85% of the United States
Flywheels • Convert electrical energy into kinetic energy and back again • Good for power conditioning and short term storage • Efficiency can be as high as 90% • Typical capacities run from 3 kW to 133 kW
SMES
SuperCapacitors
Hidrogén
Hidrogén
FuelCells
Storage Costs • CAES and Pumped Hydro ≥$5/kWh – Depends on availability of geology
• Molten Salt - $50/kWh • Batteries - $100-200/kWh • Flywheels - $200-500/kWh
Energy Density
Battery Characteristics Wish List
Future Research and Projects • • • •
Vehicle-to-grid Phase Change Materials for Energy Storage Concentrating Solar Brayton CAES Advanced Adiabatic CAES
Vehicle-to-Grid • Uses plug in electric vehicles as an energy storage device • Cars are parked 95% of the time • Electricity could flow from the car to the power lines and back
Phase Change Energy Storage • Takes advantage of heat of fusion of materials • Less heat transfer fluid needed, smaller storage tanks • Smaller temperature change between charges • Capable of storing large amounts of energy
Concentrating Solar Brayton CAES • Air is compressed into a salt mine cavity during the night • During the day, the compressed air is sent to parabolic dishes and heated • Expanded air drives a turbo-alternator • Each compressor storage system will serve 30 dishes
Advanced Adiabatic CAES • Retains heat produced by compression • Heat stored in a solid such as concrete or a liquid such as molten salt • No utility scale plans to date, efficiency expected to approach 70%
A villamos energia ára
A villamos energia ellátás jogszabályi keretei A legfontosabb néhány előírás: 1. A 2007. évi LXXXVI. törvény a villamos energiáról (VET) 2. A 273/2007. (X.19.) Kormányrendelet a VET végrehajtásáról. 3. A 119/2007 (XII.29.) GKM rendelet a villamos energia rendszerhasználati díjakról, 4. A 44/2008. KHEM rendelet a villamosenergia-piaci egyetemes szolgáltatás árképzéséről, valamint az egyetemes szolgáltatás keretében nyújtandó termékcsomagokról 5. Villamos energia ellátási szabályzatok (A villamosenergia-ellátási szabályzatokat és azok módosításait a Magyar Energia Hivatal hagyja jóvá)
Villamos energia ellátási szabályzatok Üzemi szabályzat: Kereskedelmi szabályzat: Elosztói szabályzat: Egyetemes Szolgáltatási Szabályzat Villamos hálózati csatlakozási és hálózathasználati szabályzat - Üzletszabályzat tartalmazza az engedélyesek: • az átviteli rendszerirányító, • az elosztó hálózati engedélyes • a szervezett villamosenergia-piac engedélyese, • az egyetemes szolgáltató, • a villamosenergia-kereskedő és • a termelői engedélyes által nyújtott szolgáltatások általános műszaki, kereskedelmi, elszámolási és fizetési szerződési feltételeit. – – – – –
Az új villamosenergia-piaci modell az alábbi – fogyasztókat érintő - legfontosabb változtatásokat tartalmazza: • • • • • •
A közüzemi modell megszűnt, helyét tiszta versenypiaci modell vette át, Elkülönült a termelési, a kereskedelmi, a rendszerirányítási és az elosztási tevékenység, ezeket külön szolgáltatók végzik A fogyasztó elnevezés felhasználóra változott. (Azaz mégsem teljesen, hiszen "lakossági fogyasztó", illetve közülük "védendő fogyasztó" és "fogyatékkal élő fogyasztó" mégiscsak van.) Új intézmény az „egyetemes szolgáltatás”, (a lakossági fogyasztók a szabadpiac mellett egyetemes villamosenergiaszolgáltatásra is jogosultak) Új intézmény a „végső menedékes”, A felhasználónak elméletileg három szerződéssel kell rendelkeznie, hálózati csatlakozási, hálózathasználati és és villamos energia vásárlási szerződéssel.
Szolgáltatás •
•
•
Az egyetemes szolgáltató az elosztó hálózati engedélyessel együttműködve köteles gondoskodni a fogyasztó villamos energia igényének a villamosenergia-vásárlási szerződésnek megfelelő folyamatos kielégítéséről, a szerződésben megjelölt feszültségszint és a szolgáltatás minőségét meghatározó egyéb az üzletszabályzatban meghatározott - műszaki és megbízhatósági feltételek csatlakozási ponton való, az elvárhatóság követelményeinek megfelelő szinten tartásáról. Azokat a minőségi jellemzőket, amelyeket hatósági előírások, szabványok állapítanak meg, az előírt tűréshatárok között kell tartani. A fogyasztó a villamos energiát a villamosenergia-vásárlási szerződésben meghatározottak szerint jogosult vételezni. A fogyasztó a villamosenergia-fogyasztásának megfelelő, a felhasználási helyre kötött villamosenergia-vásárlási szerződés szerinti díjat köteles megfizetni.
Garantált szolgáltatások A fogyasztókat érintő minimális követelmények, elvárt színvonal, melyeket az Engedélyes az üzletszabályzatában szerepeltet, és amelyek nem teljesítése esetén kötbért fizet az érintett fogyasztónak. • A szolgáltató köteles az üzletszabályzatba való beépítésen túlmenően a Garantált Szolgáltatásokat nyilvánosságra hozni legalább egyszer évente a számlához csatolt, vagy önálló hírlevélben. • Az elosztói-, egyetemes szolgáltatói-, és kereskedői engedélyesi tevékenységet végző szolgáltatókra vonatkozóan a Magyar Energia Hivatal határozatban állapítja meg: • az egyedi felhasználókat érintő minimális minőségi követelményeket; • a Garantált Szolgáltatások nem teljesítése esetén a fizetendő kötbér kifizetésének módjait, mértékét; • A Garantált Szolgáltatások eljárásrendjét.
Egyetemes szolgáltató Garantált Szolgáltatásai: 1.
Felhasználói villamosenergia-igénybejelentés továbbítása elosztói engedélyesnek (beérkezést követő második napon belül)
2.
Információadás dokumentált megkeresésre
3.
Visszatérítés téves számlázás esetén (jogosság
4.
A felhasználó visszakapcsolásának kezdeményezése az elosztónál (hiánytalan tartozásról
(beérkezéstől 15 napon, elosztóit érintően 30 napon belül) megállapításától 8 napon belül.)
tudomásszerzést követően 24 órán belül)
5.
Nem jogszerű kikapcsolás esetén kötbérfizetés.
Elosztói engedélyes Garantált Szolgáltatásai (1): 1.
2. 3. 4.
A villamosenergia-ellátás egy felhasználási helyen történő kimaradás megszüntetésének megkezdése
(település nagyságától és jellegétől, a napszaktól függően értesítés vételétől 4-12 órán belül)
A villamosenergia-ellátás több felhasználási helyet érintő kimaradásának megszüntetése (egyszeres hiba esetén 12 órán, többszörös hiba esetén 18 órán belül)
Felhasználói villamosenergia-igénybejelentésre adandó tájékoztatás (felülvizsgálat szükségességétől függően 8- 30 napon belül)
5.
Új felhasználási hely bekapcsolása vagy teljesítmény bővítése (feltételek teljesülését követő 8 munkanapon belül) Az egyeztetett időpontok megtartása (nem lehet 4 óránál
6.
Információadás dokumentált megkeresésre (beérkezéstől
7.
több)
számított 15 , ha kereskedői engedélyest is érint max. 30 nap alatt)
Értesítés a villamosenergia-ellátás tervezett szüneteltetéséről (üzletszabályzatban előírt módon 15-30 nappal a munkavégzés megkezdése előtt)
Elosztói engedélyes Garantált Szolgáltatásai (2): 8. Feszültségpanasz kivizsgálása (beérkezéstől számított 10
munkanapon belül a mérés időpontjának egyeztetése, további 5 munkanapon belül a mérés elvégzése, ennek eredményéről elvégzése után 15 napon belül értesítés)
9. Feszültség a kisfeszültségű felhasználási hely csatlakozási pontján (a névleges feszültség +- 7,5 % - án belül; a legnagyobb
feszültség-növekedés mértéke a névleges feszültség 115%-át, feszültségcsökkenés mértéke a névleges feszültség 80%-át nem haladhatja meg 1 perces átlagban) 10.Visszatérítés téves számlázás esetén (számlakifogás jogosságának megállapítását követő 8 napon belül, a fizetés módjának megfelelően) 11.A fogyasztásmérő pontosságának kivizsgálása (bejelentéstől számított 15 napon belül a helyszínen egyszerű eszközökkel, szemrevételezéssel, fordulatszám számlálással, stb. vizsgálat, ellenőrzés,
a hibás mérő lecserélése a helyszíni ellenőrzéstől számított 8 napon belül) 12.A felhasználó visszakapcsolása (a tartozás hiánytalan rendezésének hitelt érdemlő igazolását követően – 24 órán belül) 13.Nem jogszerű kikapcsolás esetén kötbérfizetés
Árszabályozás- Egyetemes szolgáltatási ár • •
•
• •
A fogyasztó - szerződése alapján - a villamos energia árát és a rendszerhasználati díjat fizeti meg. Az egyetemes szolgáltatás keretében értékesített villamos energia ára hatósági ár, a kiszámítására vonatkozó jogszabályi előírásoknak megfelelően képzett - árát az egyetemes szolgáltató üzletszabályzata tartalmazza.. A hálózatok használatának vonatkozásában a rendszerhasználati díj megállapítása a hatósági árszabályozás keretében történik, ennek szabályait a törvény tartalmazza. A rendszerhasználati díjak ( az átviteli-rendszerirányítási díj, a rendszerszintű szolgáltatások díja és az elosztási díj) mértéke országosan egységes, a díjakat a miniszter hirdeti ki. Az egyetemes szolgáltatás árát naptári negyedévenként egyszer lehet módosítani. A Magyar Energia Hivatal feladata az árakra és díjakra vonatkozó szabályok betartásának ellenőrzése és szükség esetén szankciók alkalmazása.
Az ár összetevői • • • • • • • • • •
Az egyetemes szolgáltatási ár összetevői: Villamos energia termékár Kötelező átvétel miatti kalkulált felár (megújuló alapú és kapcsolt termelés támogatására) Egyetemes szolgáltatói árrés Rendszerhasználati díjak Átviteli-rendszerirányítási díj Rendszerszintű szolgáltatások díja Elosztói forgalmi díj Elosztói veszteségdíj Elosztói menetrend kiegyensúlyozási díj Külön pénzeszközökre (Adó hatályán kívüli tételek) Szénipari szerkezetátalakítási támogatásra ("szénfillér") Villamosenergia-ipari nyugdíjasok áramvásárlási kedvezményére (kedvezményes árú villamos energia támogatás)
Mérés A fogyasztó által elfogyasztott villamos energiát hatóság által hitelesített fogyasztásmérő-berendezéssel kell mérni. • A fogyasztásmérő megsérülését a fogyasztó haladéktalanul köteles bejelenteni az elosztói engedélyesnek. • Ha a fogyasztó a fogyasztásmérő-berendezés hibáját észleli, köteles azt a hálózati engedélyesnek haladéktalanul bejelenteni, aki a bejelentés kézhezvételétől számított 15 napon belül köteles a kifogásolt fogyasztásmérő-berendezés működését ellenőrizni. • Ha az ellenőrzött fogyasztásmérő-berendezés az előírt hibahatárt túllépi, illetve a hálózati engedélyes megállapítja, hogy a fogyasztásmérő-berendezés hibás, köteles azt kicserélni. A hálózati engedélyes köteles gondoskodni arról, hogy: a) a csere időpontjáról a fogyasztó írásbeli értesítést kapjon, b) a régi fogyasztásmérő-berendezés utolsó és az új fogyasztásmérőberendezés induló állásának leolvasása a fogyasztó vagy megbí-zottja jelenlétében történjen, illetve más módon, utólag is igazol-ható módon rögzítésre kerüljön, c) az adatok a hálózati engedélyes üzletszabályzatában meghatározott formátumú nyomtatványon kerüljenek rögzítésre, és annak egy példánya a fogyasztó vagy megbízottja részére átadásra kerüljön. •
Fogyasztásmérő
Fogyasztásmérő
Elszámolás •
• • • •
Az elszámolási időszakra a fogyasztónak értékesített villamos energia mennyiségét az egyetemes szolgáltató a felhasználási hely mérésére szolgáló fogyasztásmérő-berendezés elosztó általi leolvasásából vagy adatrögzítéssel nyert adatok alapján állapítja meg. A leolvasási időszakot, ezen belül a leolvasások, illetve az adatrögzítések időpontját a hálózathasználati szerződésben kell meghatározni. Az elszámolási időszak időtartamában, valamint a számlázási időszakban a felek a villamosenergia-vásárlási szerződésben állapodnak meg. A villamos energia egyes zónaidők, illetve időszakos árszabás szerinti egy árszabási időszakra vonatkozó díjtételeit az egyetemes szolgáltató üzletszabályzata tartalmazza A villamos energia árváltozása esetén, amennyiben az árváltozás időpontjára a fogyasztásmérő-berendezés leolvasására vagy adatrögzítésre nem került sor, úgy az egyetemes szolgáltatási alapárat az egyetemes szolgáltató kezdeményezésére történt felhasználói adatközlés, vagy ennek hiányában a felhasználás időarányos megosztásával kell megállapítani és számlázni.
Érintésvédelem
Erősáramú villamos berendezés fogalma • Erősáramú az a villamos berendezés, amely a villamos áram munkavégző képességének felhasználására szolgál, továbbá mindaz a villamos berendezés, amely a villamos energiát e berendezések céljára más energiafajtából előállítja, átalakítja, szállítja illetve elosztja.
Gyengeáramú villamos berendezés fogalma • Gyengeáramú az a villamos berendezés, amely a villamos áramot nem munkavégzésre, hanem jelátvitelre használja fel, továbbá az ezek célját szolgáló, ezekbe beépített tápegységek.
•
Az érintésvédelem célja, hogy intézkedésekkel megelőzze a villamos berendezések aktív részével való érintkezést, valamint elhárítsa a villamos berendezések üzemszerűen feszültség alatt nem álló de meghibásodás folytán feszültség (testzárlat) alá kerülő részének érintéséből származó veszélyeket.
Mely jogszabályok és szabályok alapján létesíthető erősáramú villamos berendezés? • MSZ 1600 Kisfeszültségű erősáramú villamos berendezések általános létesítési biztonsági előírásai (régen) • MSZ 1610 Nagyfeszültségű villamos berendezések általános létesítési biztonsági előírásai (régen) • MSZ 172 Érintésvédelmi előírások (1 régen) • 30/1994. (XI.8.) IKM rendelet • 45/1995. (IX.21.) IKM rendelet – ezek teszik kötelezővé 3/1996. (II.9.) IKM rendelet – • MSZ 2364 szabvány váltotta fel MSZ 1600-at, és MSZ 172-1 • MSZ 2040 korházakra és egészségügyi létesítményekre • MSZ 15688 transzformátorállomásokra • MSZ-07-5017 vasúti érintésvédelem
Csoportok 3 csoport: Védővezetős érintésvédelmi módok Védővezető nélküli érintésvédelmi módok Érintésvédelem korlátozott zárlati teljesítményű áramkör alkalmazásával
Az áram biológiai hatásai • • • • •
Izomgörcs Égés Szívbénulás Idegrendszer működési zavarok Elektrokémiai egyensúly felborulása
Áramütés • A villamos áramütés súlyosságát (veszélyességét) befolyásoló tényezők: • áramerősség (az emberi testen átfolyó) • a behatás időtartama • az áram útja • az áram neme (DC vagy AC) • az áram frekvenciája • az emberi test ellenállása • áthidalt feszültség nagysága • Az áramütéskor további tényezők is számottevőek: • az egyén testi, lelki állapota, vagy az, hogy számít-e az áramütésre.
Áramerősség-határok a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) alapján Váltakozó áram 50-60 Hz
Egyenáram
Hatás az emberre
Megjegyzés
áramerősség mA 0,5-1,5
2-6
Gyenge rázásérzet
Érzetküszöb
2-3
8-10
Mozgást nem gátló rázásérzet
10-15
60-70
20-25
80-90
30-40
110-140
80-100 felett
300-500 felett
Fájdalmas izomgörcs, a vezetőt még Elengedési áramerősség, a éppen el tudja engedni veszélyesség kezdete Erős fájdalom, szabálytalan szívműködés, légzőizmok görcse már lehetséges
Eszméletvesztés, görcse
a
Az áramkörből való öntevékeny kiszabadulás lehetetlen, így a behatási idő korlátlan mértékben megnőhet
légzőizmok
Szívkamraremegés, szívbénulás
Halálveszély, 0,1-0,3s után azonnali halál
Az emberi test ellenállása • Az emberi test elektromos ellenállása 2003000 (10 000) Ω között változhat. • A villamos biztonság-technika szempontjából az emberi test ellenállását 800 Ω értékkel szokták figyelembe venni.
Elsősegélynyújtás áramütés esetén • A sérültnek az áramból való kiszabadítása. Kisfeszültség, azaz 1000V alatt a sérültet az áramkörből száraz ruhával rántjuk ki / farúddal, lapátnyél /. 1000V-nál nagyobb feszültség esetén villamos szakember szigetelt mentőrúddal végezheti a kiszabadítást.
A másodlagos baleset a villamos balesetekkel okozati összefüggésben álló, de nem közvetlenül az áram által kiváltott baleseteket másodlagos villamos baleseteknek nevezzük: be- leesés, zúzott, szúrt, vágott bőr, csontok törése.
A mentés fő szabályai • Ha egyedül van a segélynyújtó, a segítségnyújtás közben kiabálással hívjon segítséget • Szabadítsa ki az áramütöttet veszélyes helyzetéből, az áramkörből • Kiszabadítás után azonnal kezdje meg a segélynyújtást, az újraélesztést • Azonnal hivassák a leghamarabb elérhető orvost és a mentőket is • Szükség esetén értesítsék a villamos művet, műszaki mentőt
Kiszabadítás az áramkörből • Segítségnyújtó vigyázzon, ő maga ne kapcsolódjék az áramkörbe. Másodlagos baleseteket meg kell előzni. Kisfeszültségű berendezésen bekövetkezett áramütéssérültjét bárki kiszabadíthatja, és ez kötelessége is, lehetőleg kikapcsolással. Szükség esetén feszültség alatt kell ezt elvégezni. Nagyfeszültségű berendezésen bekövetkezett baleset áramütöttjét, de magát a feszültség alatt álló berendezést is megközelíteni veszélyes. A kiszabadítást csak a helyi viszonyokat ismerő villamos szakember végezheti
Érintésvédelmi osztályok
Érintésvédelmi osztályok 0. Érintésvédelmi osztályú gyártmány. Az áramütés elleni védelem az üzemi szigetelésen alapul. A gyártmány testén védővezető csatlakoztatására nincs lehetőség, az üzemi szigetelés meghibásodása esetén a védelem a környezetre hárul (pl. a környezet elszigetelése).
Érintésvédelmi osztályok • I. Érintésvédelmi osztályú gyártmány. • Az üzemi szigetelésen kívül járulékos óvintézkedéseket is alkalmaznak. A gyártmány testéhez csatlakoztatható a villamos hálózat vezetője úgy, hogy a megérinthető villamos vezető részek még az üzemi szigetelés meghibásodása esetén sem kerülhetnek veszélyes feszültség alá (pl. nullázás, védőföldelés).
Érintésvédelmi osztályok II. Érintésvédelmi osztályú gyártmány. Az üzemi szigetelésen kívül járulékos óvintézkedésként a gyártmányt kettős szigeteléssel vagy megerősített szigeteléssel látják el. A védelem független a villamos hálózattól. A felhasználó az adattáblán látható kettős négyzet jelről ismeri fel.
Érintésvédelmi osztályok • III. Érintésvédelmi osztályú gyártmány. • Az áramütés elleni védelem megoldása az érintésvédelmi törpefeszültségű tápláláson alapul.
• AC < 50 V • DC < 120 V • separated extra-low voltage (SELV) • protective extra-low voltage (PELV) • functional extra-low voltage (FELV)
Jelölések a villamos gyártmányokon az egyes érintésvédelmi osztályok esetén
I. érintésvédelmi osztályú berendezés védővezető csatlakoztatására szolgáló kapcsát jelöli
II. érintésvédelmi osztályú azaz kettős szigetelésű gyártmány jelét mutatja
III. érintésvédelmi osztályú gyártmányt jelzi, amely csak érintésvédelmi külső törpefeszültségre csatlakoztatható
A villamos berendezések (gyártmányok) védettsége • A villamos berendezések (gyártmányok) védettségét az üzemszerűen feszültség alatt álló részek megérintése elleni, valamint az idegen anyagoknak és a víznek a berendezésbe való bejutása elleni intézkedések összessége képezi (MSZ EN 60529). • Valamely villamos berendezés védettségi fokozatát a következőképpen jelölik: IP xy.
Az első számjegy (x) az idegen tárgyak bejutása elleni és illetéktelen személyeknek a feszültség alatt álló részek megérintése elleni védelem • • • • • •
0 - nincs védettség, a feszültség alatt álló részek szabadon megérinthetők, 1 - tenyérrel nem érinthetők meg, 2 - emberi ujjal nem érinthetők meg 3 - 2,5 mm-es illetve nagyobb átmérőjű huzallal nem érinthetők meg, 4 - az 1 mm-es illetve nagyobb átmérőjű huzallal nem érinthetők meg, 5 - teljes védelem a feszültség alatt álló, vagy belső mozgó alkatrészek érintése • ellen. A por behatolása nincs teljes mértékben megakadályozva • 6 - Feszültség alatt álló, vagy belső mozgó alkatrészek érintése elleni teljes védelem. A por behatolása elleni teljes védelem.
A védettség jelében a második számjegy (y), a víz behatolása elleni védettség fokát fejezi ki, jelentése: • • • • • • • • •
0 - nincs védve víz bejutása ellen a villamos berendezés, 1 - függőlegesen csöpögő vízcseppek bejutása ellen védett a berendezés, 2 - függőlegesen csöpögő vízcseppek bejutása elleni védelem a tokozás max. 15-os dőlése esetén, 3 - vízpermet elleni védelem, a függőlegeshez képest tetszőleges, legfeljebb 60-os szögben permetezett víz nem okozhat károkat, 4 - bármilyen szögű fröccsenő víz ellen védett a berendezés, 5 - bármilyen szögű, nyomással rendelkező vízsugár ellen védett a berendezés, 6 - bármilyen szögű, erős nyomással rendelkező vízsugár ellen védett a berendezés, 7 - rövid idejű vízbe merítés ellen védett a berendezés, 8 - tartós vízbe merítés ellen védett a berendezés.
A villamos berendezések (gyártmányok) védettsége • Pl. mágneskapcsolók védettsége például általában IP 20, • búvárszivattyúk védettsége szükségszerűen IP68
Érintésvédelmi módszerek Két fő típusa: • Az egyik csoportba az ún. aktív érintésvédelmi módszerek tartoznak, amelyeket az jellemez, hogy ha az érintési feszültség meghaladja a megengedett értéket, akkor önműködően , az előírt időn belül lekapcsolja a meghibásodott készüléket. Aktív érintésvédelmi módszerek:
• A másik csoportba az ún. passzív érintésvédelmi módszerek tartoznak, amelyeknek jellemzője, hogy az érintési feszültséget mindig veszélytelen értéken tartják, tehát lekapcsolás nem szükséges.
• • • •
• • •
- védőföldeléses jel VF - nullázás NU - egyenpotenciálra hozás EPH - áramvédő – kapcsolás ÁVK.
Passzív érintésvédelmi módszerek: - kettős szigetelés KSZ - törpefeszültség TF - védőelválasztás VE
• A magyar előírások szerint csupán a limitfeszültségnél nem nagyobb feszültség juthat az emberi testre. Ez a feszültség súlyos, de még nem életveszélyes balesetet képes okozni. • Az előírások tehát azt jelentik, hogy ha valahol nem biztosítható az érintési feszültségnek a limitértéknél kisebb értéke, ott önműködően lekapcsolásról kell gondoskodni. • A lekapcsolási idő hordozható készülékek esetén 0,2 s-nál nagyobb nem lehet.
A veszélyesnek minősített érintési feszültség határértéke Általános esetben váltakozó áram esetén (50 Hz)
50 V 120 V
egyenáram esetén
Fokozott veszély esetén (pl. fodrászat, gyermekjátékok) váltakozó áram esetén (50 Hz)
25 V
egyenáram esetén
60 V Fokozott veszély esetén (pl. orvostechnika)
váltakozó áram esetén (50 Hz)
12 V
egyenáram esetén
30 V
Védővezetős érintésvédelmi módok: - Védőföldelés közvetlenül földelt rendszerben(TT-rendszer) - Védőföldelés földeletlen és közvetve földelt rendszerben (IT-rendszer) - Nullázás (TN-rendszer) - Áram-védőkapcsoló - Egyenpotenciálra hozó hálózat
TT-rendszer
Ha a tápláló hálózat közvetlenül földelt, akkor az ilyen rendszert TT-rendszernek nevezik. A jelölésnél az első T betű azt jelenti, hogy a rendszer az áramforrásnál közvetlenül le van földelve, míg a második betű jelentése az , hogy az érintésvédelemmel védett testek földelve vannak. A TT-rendszer működési elve az, hogy a védett test földelése következtében szigetelési hiba esetén a hibahelyen a földbe folyó áram lép fel, s ez földelés ellenállásán keresztül záródik. Ha az áram kicsi, akkor a földelési ellenálláson kis feszültségemelkedést hoz létre. Ha viszont az áram nagy, akkor vagy a túláramvédelem, vagy erre a célra beépített áram-védőkapcsoló kiold.
Testzárlatos villamos berendezés zárlati áramköre védőföldelés esetén Zárlati áramerősség (Iz) U0 Érintési feszültség (UL) I z
Rcs RA
0
U0 Iz Rcs RA U L I Z RA
TT rendszer méretezési példa Számolás
TT rendszer
• Kis ellenállású védőföldelés (RA) szükséges
Földelések típusai
IT-rendszer
Ha a tápláló hálózat nem közvetlenül, hanem I (igen nagy) impedancián keresztül földelt, vagy egyáltalán nem földelt, akkor ennek jele ITrendszer. Az I betű a hálózati csillagpontba kötött impedanciát jelenti. A T betű itt az érintésvédelemmel ellátott testek védőföldelését jelenti. A hálózat földelésébe beiktatott impedancia nagy értéke miatt a szigetelési hibahelyen fellépő hibaáram kicsi, ennek megfelelően ilyen földzárlat esetén nem számolhatunk a túláram-védelem megszólalásával.
TN-rendszer
Ha a közvetlenül földelt közműhálózatot üzemeltető áramszolgáltató ehhez hozzájárul, akkor a nullavezetőt védővezetőként is szabad felhasználni, ez a nullázás, nemzetközi jelölése TN rendszer. Ebben a kétbetűs jelölésben, a második betű a testhez kötött nullavezetőt jelöli. Elvben ennek három megoldása van. Az első szerint sehol sem építenek ki külön védővezetőt, az egyfázisú üzemi áramok vezetésére szolgáló nullavezetőt (jelölése N=neutral) kötik minden fogyasztó készülék testére.
TN-C-rendszer
Ebben az esetben a rendszer jelölése TN-C (a C=common jelzi, hogy a védővezető és a nullavezető mindenütt közös). Ez a lehetőség bizonyos esetekben csupán elvi, mert 10 mm2-nél kisebb keresztmetszetű vezetékeknél a közösítést - a közös vezető megszakadásának veszélye miatt - a szabvány tiltja.
TN-S-rendszer
A második lehetőség az, hogy a védővezetőt mindjárt a tápláló transzformátortól kezdve külön választják az egyfázisú üzemi áramokat vezető nullavezetőtől. Ezt a megoldást TN-S (S=separated, elkülönített) betűcsoporttal jelölik. Ez a megoldás is kizárólag elvi jelentőségű.
TN-C-S-rendszer
A harmadik megoldás a gyakorlati: egy darabig közös az üzemi nullavezető és a védővezető (ez tehát a PEN vezető), majd egy ponton szétválnak . Ilyen megoldású rendszert TN-C-S betűcsoporttal jelölik. Azt, hogy a két vezető szétválasztása hol történjen a helyi viszonyok és körülmények döntik el. A szétválasztott szakaszon a védővezetőt (PE) nullázó vezetőnek nevezik.
Legnagyobb lekapcsolási idők TN rendszerben U0 [V]
Lekapcsolási idő [s]
230
0,4
400
0,2
400 felett
0,1
• Hátrányai: zárlat esetén a nullavezetőbe bekötött összes készülés feszültség alá kerül a kioldásig szakadás esetén teljesen hatástalan a védelem nullavezető és a fázisvezető összecserélése
TN rendszer méretezési példa Számolás
Áram-védőkapcsoló
Az áram-védőkapcsolás kifejezetten csak érintésvédelmi megoldás. Lényege, hogy a védett áramkör valamennyi üzemi áramot vivő vezetőjét egy közös különbözeti áramváltó „ablakán” vezetik át, míg a védővezetőt ezt megkerülve építik ki. Minden áramot vezető körül mágnes tér alakul ki. Ha a fogyasztóhoz menő és onnan visszajövő üzemi áramok összege zérus, vagyis testzárlat mentes állapotban, a különbözeti áramváltó ablakában nem lesz gerjesztés, a vasmagban nem keletkezik fluxus, az áramváltó kioldó tekercsében áram nem fog folyni. Ha viszont az áramvédő-kapcsolóval védett fogyasztói hálózaton testzárlat lép fel, akkor ennek árama a védővezetőn záródik, mely nem haladhat át a különbözeti áramváltó ablakán, így az ott a befolyó és kifolyó áramok összege nem lesz zérus, az áramváltó áttételének megfelelő nagyságú áram, ha meghaladja az áramvédőkapcsoló névleges különbözeti áramát, meghúz és kikapcsol.
Áram-védőkapcsoló
EPH-hálózat
Lényege az, hogy egy külön erre a célra kialakított vezetőhálózat segítségével fémesen össze kell kötni a villamos fővezeték érintésvédelmi védővezetőjét, az épülethez kiépített fő földelővezetőt vagy fő földelőkapcsot, az épületben lévő fémes közüzemi csővezetéket, a szerkezeti fémrészeket, a központi fűtést és a légkondicionáló rendszereket, valamint a vasbeton épületszerkezetek fő fémrészeit.
Védővezető nélküli érintésvédelmi módok: -
Villamos szerkezet elszigetelése Környezet elszigetelése Földeletlen egyenpotenciálra hozás Védőelválasztás Érintésvédelmi törpefeszültség
Villamos szerkezet elszigetelése
Minden 25V-nál nagyobb névleges feszültségű villamos szerkezetnek van alapszigetelése. Ez az a szigetelés, amely a szerkezet aktív részei és teste között van, s ez védi meg a szerkezet kezelőjét attól, hogy a rendes használat közben áramütést kapjon. Éppen e szigetelés meghibásodása következtében felléphető balesetek elhárítására alkalmasak a közvetett érintés elleni védelmi módok. Ezek egyik módja az, hogy az alapszigetelést még egy kiegészítő szigeteléssel veszik körül. Ha az alapszigetelés és a kiegészítő szigetelés között fémrész van, akkor a két szigetelés épsége szigetelésmérése külön vizsgálható, ezt az elrendezést ezért kettős szigetelésnek nevezik.
Környezet elszigetelése
Lényege, hogy nem a villamos szerkezetet, hanem a veszélyeztetett kezelőt szigetelik el a földpotenciáltól. A villamos szerkezet közelében lévő padlónak és falaknak is jó szigetelőképességűnek kell lenniük. A környezet elszigetelési érintésvédelmi módot elsősorban a TTrendszerű hálózatokról táplált ipari berendezések főelosztóinak érintésvédelmére alkalmazzák.
Földeletlen egyenpotenciálra hozás Lényege, hogy minden egyidejűen érinthető testet és idegen vezetőképes részt egymással földeletlen egyenpotenciálra hozó vezetéken át összekötnek. Fontos megkötés, hogy ez az egyenpotenciálra hozó vezető a testeken és az idegen vezetőképes részeken keresztül sem földelődhet.
Védőelválasztás
Lényege, hogy az ezzel védett villamos szerkezetet nagy biztonságú elválasztó transzformátoron keresztül földeletlen rendszerrel táplálják. Ez a táplálás annyiban különbözik a korábban említett IT-rendszertől, hogy olyan rövid vezetékrendszeren keresztül táplálnak, amelynek a földhöz viszonyított kapacitása elhanyagolható. Ennek következtében még a fázisvezető közvetlen érintése is veszélytelen.
Érintésvédelmi törpefeszültség
Az érintésvédelmi törpefeszültség olyan, 50V váltakozó vagy 120V egyenfeszültségnél kisebb feszültségű hálózat, ahol a nagyobb feszültség rendszerbe kerülése meg van akadályozva. Pl: biztonsági transzformátorról táplálják, kisfeszültségű vezeték mellett megerősített szigetelésű vezetéket alkalmaznak.
Érintésvédelem korlátozott zárlati teljesítményű áramkör alkalmazásával Az új európai szabványba ez az érintésvédelmi mód csak mint megfontolás alatt szerepel, tehát ez az érintésvédelmi mód az erősáramú előírásokban egyelőre nem lesz szabályozva.
Erősáramú villamos berendezések üzemeltetési szabályzata Szakképzett személy: az akinek az üzemi munkák szakképzettséghez kötött tevékenységvégzésére, az illetékes szerv által igazolt erősáramú villamos képesítése van. Kioktatott személy: az, aki meghatározott villamos berendezés használatára, kezelésére és szerelési részmunka elvégzésére és a szükséges védőintézkedésekre kioktatást nyert. Helyismereti vizsga: a vállalat hatáskörében szervezett, helyismereti követelményeket is tartalmazó, a vizsga fokozatától függő feladatok ellátására képesít.
Az üzemi állapottal és annak megváltoztatásával kapcsolatos fogalmak: Feszültségmentes: az az erősáramú villamos berendezés, amelynek kapcsolata bármely lehetséges energiaforrással meg van szakítva. Feszültség alatt álló: az az erősáramú villamos berendezés, amelyen a szabványban meghatározott feszültségmentesítési előírásokat nem hajtották végre. Feszültség alatt álló berendezésen végzett munka: az a munka, amelynek során a dolgozónak akár testével közvetlenül, akár szigetelt vagy szigeteletlen szerszámával, ill. a munkadarabbal meg kell érintenie vagy meg kell fognia egy feszültség alatt álló vezetőt.
Feszültség közelében végzett munka: az a munka, amelynek során a munkát végző személy a berendezés feszültségmentesített részén dolgozik ugyan, de megérinthető közelségben feszültség alatt álló berendezésrészek is vannak. Feszültség alá helyezés: az a kapcsolási művelet, amelynek során az erősáramú villamos berendezés vagy annak része a táphálózattal vezetői vagy indukciós kapcsolatba kerül. Üzembe helyezés: az a meghatározott műveletsor, amely során az új erősáramú villamos berendezés vagy berendezési rész elkészülését követően kerül üzemi használatra.
Üzemi próba: az első üzembe helyezést megelőző, ill. egy már üzemben lévő erősáramú berendezésen később szükségessé váló olyan kapcsolási műveletek együttese, amelyek feszültség alá helyezéssel járnak, de nem céljuk a berendezés üzembe helyezése, hanem csupán a kipróbálása. Próbaüzem: a villamos berendezés feszültség alá helyezése után a berendezés feladatszerű működtetése.
Feszültségmentesítés A feszültségmentesítés a következő, fel nem cserélhető sorrendű műveletsor elvégzését jelenti: 1. A feszültségmentesítendő rész kikapcsolása, leválasztása. 2. A visszakapcsolás megakadályozása, letiltása. 3. A feszültségmentesség ellenőrzése. 4. A visszamaradt töltések kisütése, földelésrövidrezárás. 5. A feszültségmentesített rész körülhatárolása.
VILLÁMVÉDELEM Évente kb. 350 000 villám csap le Magyarországon
394
VILLÁMVÉDELEM
Villámok
Károsodások [D]
A veszteség bekövetkezésének egy évre eső valószínűsége:
Kockázat [R]
Veszteségek [L]
A villámvédelem célja: A károsodások, illetve az ebből eredő veszteségek
bekövetkezésének akadályozása 395
VILLÁMVÉDELEM Villám hatásai: romboló hatás gyújtó hatás embert érő villámcsapás
súlyos villamos áramütés
Villámvédelmi rendszer tervezésének első lépéseként a védendő objektumot be kell sorolni a négy (I. – IV.) villámvédelmi osztály egyikébe. A szükséges villámvédelmi osztály az MSZ EN 62305 (villámvédelmi szabvány) szerinti kockázatelemzéssel határozható meg.
Védendő építmények Kockázat és elviselhető kockázat
Villámvédelmi szint 396
VILLÁMVÉDELEM A méretezés alapjául szolgáló villámparaméterek a villámvédelmi osztályok függvényében
397
VILLÁMVÉDELEM
398
VILLÁMVÉDELEM Felfogó elhelyezése Ha a tető nem éghető anyagú, akkor a felfogók közvetlenül annak felületén elhelyezhetőek. Ha a tető éghető anyagú, akkor a felfogó és a tető közötti távolság megállapításánál a tető anyagára tekintettel kell lenni. Nádfedés esetén ez 0,15 m, más anyagok esetén 0,1 m megfelelő.
399
VILLÁMVÉDELEM Levezetők elhelyezése Ha a falazat nem éghető anyagú, akkor a levezetők közvetlenül annak felületén elhelyezhetőek. Ha a falazat éghető anyagú, akkor a levezetők közvetlenül annak felületén elhelyezhetőek, feltéve, hogy a villámáram hatására bekövetkező hőmérsékletemelkedésük a falazat anyagára való tekintettel nem veszélyes. Ha a falazat éghető anyagú és a levezetők hőmérsékletemelkedése veszélyes mértékű, akkor a levezetőt úgy kell elhelyezni falazaton, hogy távolsága legalább 0,1 m legyen. A tartószerkezet közvetlen érintkezésben lehet a fallal. Ha a levezető távolságtartása az éghető anyagtól nem biztosítható, a vezető keresztmetszete ne legyen kisebb 100 mm2-nél.
Villámhárító osztálya (LPS)
Levezetők távolsága [m] I
10
II
10
III
15
IV
20 400
VILLÁMVÉDELEM Földelő-rendszer A szabvány követelménye a talaj ellenállásának függvényében megadott hosszúságra vonatkozik. Ajánlás, hogy a földelési ellenállás értéke ne legyen nagyobb, mint 10 Ohm. Villámvédelem szempontjából létesítményenként egy közös földelő-rendszer alkalmas minden feladat (villámvédelmi, érintésvédelmi, technikai földelés) ellátására, a földelés ilyen formában történő megvalósítását előnyben kell részesíteni. Földelő-szondás és gyűrűs/hálós földelési elrendezés alkalmazható
401
VILLÁMVÉDELEM Villámvédelmi berendezések kialakítását befolyásolja:
az épület rendeltetése „R” az épület magassága „M” tetőzet anyaga „T” körítőfalak anyaga „K” másodlagos hatások következményei „H”
402
VILLÁMVÉDELEM Az épületeket és egyéb építményeket villámvédelmi szempontból a villámhárító berendezés szükséges fokozatának és tűzvédelmi műszaki követelményeinek meghatározásához csoportokba kell sorolni az alábbiak szerint: az épületek és egyéb építmények rendeltetése (R1 – R5), R1 – állattartó épületek R5 – katasztrófával fenyegetett épület az épületek és egyéb építmények magassága és környezete (M1 – M4), M1 – épületmagasság ≤ 20 m (magas környezet) M2 – épületmagasság ≥ 35 m (becsapási veszélyt fokozó környezet) az épületek és egyéb építmények tető szerkezete és anyaga (A1 - A2),
az épületek és egyéb építmények körítő falainak anyaga (K1 – K3) a másodlagos hatások következménye (H1 – H3) H1 – kisülés vagy túlfeszültség nem okoz károsodást H3 – kisülés vagy túlfeszültség sérülést okozhat
403
Túlfeszültség-védelem
Túlfeszültség • Az igénybevételek megítélésénél célszerű a hálózat legnagyobb feszültségéhez tartozó csúcsértékből (Um) kiindulni. Háromfázisú rendszerben értelmezett túlfeszültség: • Utúl 2 Uüzemi = 2 (Uvonali/3). • Egyfázisú rendszerben: • Utúl 2 Ufázis .
Belső eredetű túlfeszültségek • Ezek kapcsolási eredetű túlfeszültségek, amelyeknek időtartama kb. 10-3… 10-2 s, azaz 1…10 ms nagyságrendű. • Felléphetnek pl. földzárlat alkalmával, kis induktív és kapacitív áramok megszakításakor, olvadóbiztosítók működésekor, tirisztorok kapcsolásakor.
Külső, ún. légköri eredetű túlfeszültségek • Légköri eredetű túlfeszültségre elsősorban közvetlen villámcsapás során számíthatunk, pl. visszacsapás (feszültségemelkedés a földelőn lefolyó villámáram miatt), a villámáram hirtelen változó mágneses tere miatt. Az igénybevétel időtartama általában 10-6 s, azaz s nagyságrendű.
Külső eredetű túlfeszültségnek minősül még • Az elektrosztatikus feltöltődés és kisülés következtében előálló túlfeszültség, amelynek az időtartama 10-8…10-7 s, azaz 10…100 ns nagyságrendű. • A következő ábrán ez a túlfeszültség látható.
Védelmi eszközök • • • •
Szikraköz Oltócső SiC (szilíciumkarbid) túlfeszültséglevezető Fémoxid (pl. ZnO=cinkoxid) túlfeszültség korlátozó (KIF változat=varisztor) • Szelén (Se) túlfeszültség korlátozó • Méretezett R-C csillapító tagok • Lavina vagy szuppresszor dióda
Szikraköz
Szikraköz transzformátornál
Oltócső
Oltócső ívoltási ideje
Oltócső felszerelése KÖF-rendszerben
SiC túlfeszültséglevezető felépítése:
SiC túlfeszültséglevezető müködése
SiC túlfeszültséglevezető szikraköze
SiC túlfeszültséglevezető ívoltása
SiC túlfesz. védelem próba áramkör
Fémoxid túlfeszültség korlátozó
ZnO védelmi karakterisztika
ZnO védelmi feszültség-idő karakt.
ZnO védelmi feszültség-idő karakt.
Lavina vagy szuppresszor dióda
Elektromágneses villámimpulzus elleni védelem • o o o
A villámimpulzus csatolási módjai: Vezetési (villamos áramvezetők segítségével), Induktív (elektromágneses csatolással), Kapacitív (vezetők közötti, illetve vezetők és föld közötti kapacitások révén).
Számszerű számítási példák: • Ha az épület villámvédelmi földelésének értéke RF = 1 és a levezetett villámáram értéke iv = 30 kA, akkor: u = iv RF = 30 1 = 30 kV. • Ha viszont az épület villámvédelmi földelésének értéke RF = 25 és a levezetett villámáram értéke az előbbivel megegyező érték iv = 30 kA, akkor: u = iv RF = 30 25 = 750 kV.
Számítási példák: • 1. példa: - a hurok oldalhossza: a=10 m, - a levezető távolsága: d= 1 m, - kölcsönös indukció: M=4,8 H (táblázat), - villámáram meredeksége: di/dt=150 kA/s, - indukált feszültség: u=720 kV.
• 2. példa: - a hurok oldalhossza: a=50 cm, - a levezető távolsága: d= 10 m, - kölcsönös indukció: M=4,9.10-3 H (táblázat), - villámáram meredek.: di/dt=150 kA/s, - indukált feszültség: u=0,735 kV=735 V.
Hurok átütés utáni számítás: • 1. példa: - a hurok oldalhossza: a=10 m, - a levezető távolsága: d= 1 m, - indukciós csatolási tény.: M/L=0,07 (táblázat), - villámáram csúcsértéke: iv=150 kA, - indukált hurokáram: ih=10,5 kA. • 2. példa: - a hurok oldalhossza: a=50 cm, - a levezető távolsága: d= 10 m, - indukciós csatolási tény.: M/L=0,002027 (tábl.), - villámáram csúcsértéke: iv=150 kA, - indukált hurokáram: ih=0,304 kA=304 A.
Villámvédelmi zónák • LPZ OA: Közvetelen villámcsapás veszély van. • LPZ OB: Nincs közvetlen villámcsapási veszély. Elektromágneses erőtér van! • LPZ 1: Nincs villámcsapás veszély, korlátozott elektromágneses erőtér van. • LPZ 2: Az elektromágneses tér további védőeszkö-zökkel korlátozva van. További korlátozás is lehet. • Összecsatolás: Védendő térben a fémalkatrészek összekötése, potenciálkülönbség csökkentése. • Árnyékolás: Elektromágneses tér behatolásának korlátozása: Hb= Hk/D, ahol D=árnyékolási tényező.
Durva túlfeszültségvédelmi fokozat (villámáram levezető) •
„B osztályú” (I. köv. oszt.) védelem főbb műszaki adatai: üzemi feszültség 255/440 V, védelmi szint (1,2/50 s) 3,5…4 kV, levezetőképesség (10/350 s) 60…100 kA, megszólalási idő 100 ns.
Közepes túlfeszültségvédelmi fokozat •
„C osztályú” (II. köv. oszt.) védelem főbb műszaki adatai: üzemi feszültség 230/400 V, védelmi szint (8/20 s, 15 kA) 1,5…2,5 kV, levezetőképesség (8/20 s) 15…20 kA, megszólalási idő 25 ns.
Finom túlfeszültségvédelmi fokozat •
„D osztályú” (III. köv. oszt.) védelem főbb műszaki adatai: üzemi feszültség 230/400 V, védelmi szint (8/20 s, 5 kA) 1…1,5 kV, levezetőképesség (8/20 s) 5 kA, megszólalási idő 1 ns < tmeg < 25 ns. Megjegyzés: A leggyorsabb védelmi elemeknél akár tmeg = 10 ps = 0,01 ns is lehet.
Többlépcsős védelem működése • A fénysebességgel haladó hullám a végéről – tehát visszafelé - indítja a védelmet, mert annak az elemnek a legkisebb a megszólalási feszültsége és a megszólalási ideje. • Ettől az elemtől kell átvenni a vezetést az előtte lévőnek (uvar.<uszupp.+iZ), ahol Z=vezeték impedancia, vagy műimpedancia). • A szikraköz begyújtása hasonlóan történik (uszik.
Fázisjavítás
Készülékek a villamos hálózatban
Villamos készülékek mint alkotóelem • Szakaszolók, szakaszoló-kapcsolók • Megszakítók (hálózati betápláló, kismegszakítók) • Olvadóbiztosítók (zárlatvédvédelem, áramkorlát.) • Kapcsolók és kontaktorok (mágneskapcsolók) • Motorvédelem (ikerfémes, PTC-s, elektronikus) • Készülék kombinációk (irányváltó, csillag-delta) • Relék és kioldók (primer és szekunder kivitel) • Túlfeszültségvédelmi eszközök (szikraköz, oltócső, SiC levezető, fémoxid korlátozó, lavina vagy szuppresszor dióda, méretezett R-C tag)
Nagyépület villamosenergia betáplálása • • • •
Csupasz CuE gyűjtősínekkel összekötve Szigetelt CuE gyűjtősínekkel összekötve Szigetelt Cu kábelekkel levegőben összekötve Szigetelt Cu kábelekkel kábelaknában összekötve • Szigetelt Al kábelekkel kábelaknában összekötve • Megjegyzés: az összekötés a kapcsolótér és a betápláló transzformátor között értendő!
Kapcsolótéri kialakítás: • • • •
Egygyűjtősínes rendszer Kétgyűjtősínes rendszer Gyűjtősínes berendezések kapcsolása Egygyűjtősínes rendszer áttkapcsolási automatikája • Kétgyűjtősínes rendszer átkapcsolási automatikája
Feszültségszabályozás, kompenzálás • A hálózat fogyasztói berendezései adott névleges feszültségre készülnek, így optimális működésük csak állandó feszültség mellett lehetséges. Ez egyaránt befolyásolja a hatásfokot, a cosfi-t, az élettartamot és az üzembiztonságot. Nézzük például a villamos izzólámpát, mint fogyasztót.
- Ha túl nagy a feszültség, akkor a fényáram ugyan nő, de jelentősen csökken az élettartam, azaz a névleges feszültség 1,1-szeres értéke az élettartamot 0,3 részére csökkenti, a fényáram pedig 1,4-szeresére nő az emelt feszültség idején. - Ha kisebb a feszültség a névleges értéknél, akkor csökken a fényáram és nő az élettartam (a névl. feszültség 0,9-szeresénél az élettartam 4-szeres lesz, ugyanakkor a fényáram 0,7 részére csökken. - Az első esetben jelentős élettartam csökkenésre számíthatunk, de a második eset sem tartható az élettartam növekedés ellenére, mert a látási viszonyok jelentős romlására kell felkészülnünk.
Forgó gépek • A fogyasztói terhelések egyik részét általában a forgó gépek adják, amely fogyasztóknál a névleges feszültség környezetében: • dP/dU 1%/%, azaz 1%-os feszültség változás 1 %-os teljesítmény változást eredményez.
Ohmos fogyasztók • Tisztán ohmos fogyasztók esetében pl. jó közelítéssel az izzólámpáknál az egységnyi feszültség változás hatására kétegységnyi teljesítmény változást figyelhetünk meg, mert: P U2/R, azaz dP/dU 2.U/R 2.U2/U.R 2.P/U 2 %/%.
A fázisjavítás szükségessége • A fázisjavítás (meddőkompenzáció) elsődleges célja a villamos energiát termelő és elosztó rendszer részleges mentesítése a meddőáramoktól. A meddőigényekete lehetőleg a keletkezésük helyén kell korlátozni, illetve kompenzálni. • A villamos energia elosztó rendszerekben a legtöbb meddőt igénylő berendezések: transzformátorok és az aszinkron motorok.
Természetes fázisjavítás • Az ipari fogyasztók helyes tervezésével a fogyasztók fázisjavítása már elérhető (lásd a következő összefoglaló táblázatot). • A motorok helyes megválasztása – figyelembe véve a motor hatásfokát és a cosfi értékét - a tervező feladata, ezzel érhető el elsősorban a fogyasztó berendezések fázis javulása. • A motor akkor tekinthető túlméretezettnek, ha a tényleges terhelés az üzemidő egyetlen szakaszában sem éri el a névleges telj. 80%-át!
Ipari fogyasztók természetes fáz. jav.
Motor hatásfok részterhelésnél
Motor telj.tényező rész terhelésnél
Motor kiválasztási szempontok • Technológiai sajátosságok figyelembevétele (szükséges teljesítmény és indítási gyakoriság). • A meghajtáshoz lehetőleg nagy fordulatszámú motort válasszunk (üresjárási és terhelési meddőfogyasztása, hatásfoka jobb a kis fordulatúnál). • Tág határok között változó teljesítményigény esetében (1:3) csillag-delta átkapcsolású motort válasszunk, ha az előírt technológiának megfelelően az üzemidő legalább 40%-ában kisebb terheléssel jár a motor!
Feszültség ingadozás • A feszültség ingadozást a terhelés ingadozása okozza, amelynek a terhelő árama végig folyik a vezetékek és a tramszformátorok véges impedanciáin, feszültség esést illetve feszültség emelkedést előidézve ezzel a rendszerben. A teljesítmény az erőműből ingadozó terhelési körülmények között jut el a fogyasztóhoz. • Változó nagyságú terhelést feltételezve hosszirányú feszültségeséssel (Uh) és keresztirányú feszültségeséssel (Uk) kell számolnunk.
Változó nagyságú terhelés helyettesítő kapcsolási vázlata
• A hosszirányú feszültségesés: Uh = Iw.R - Im.X , a keresztirányú feszültségesés: Uk = Im.R + Iw.X . • A kisfeszültségű villamos energiaellátó rendszerben a feszültségesés közelítőleg megegyezik a hosszirányú feszültségeséssel, így írható: U Uh = Iw.R - Im.X , amikor is feltételezzük, hogy az áram wattos és meddő komponensére igaz a következő: I = Iw + jIm , ahol Im akkor pozitív előjelű, ha kapacitív áramról van szó.
Mire törekedjünk az üzem közben? • Arra kell törekednünk, hogy induktív meddő áramot ne szállítsunk, mert akkor hosszirányú feszültségesés növekedésre számíthatunk: - (-Im).X= +Im.X. • A megoldás kézenfekvő, a helyszínen állítsunk ellő +Im áramot, egy adott C kapacitás bekap csolásával, így a feszültségesést csökkenteni tudjuk. Az előző ábra értelmében ha XF és RF változik, akkor a C-nek is változnia kell.
Elemzés veszteségmentes hálózatban • Csak induktív a), valamint induktív és kapacitív reaktanciát b) tartalmazó hálózat esetén:
• Végezzünk hatáselemzést az ábra alapján egy veszteségmentes hálózatban, felírva a hálózat áramát és az A pont feszültségét: I = U / j(XL - XC) , UA = U . (-jC) / j(XL - XC) = U.XC/(XC-XL) = U/(1-XL/XC).
Következtetés az elemzés alapján: • Ha XCXL, akkor (XL/XC)1 és UAU, azaz a fogyasztó csatlakozási pontján a feszültség nagyobb, mint a generátor feszültsége. A vázolt jelenséggel találkozunk éjszaka a kis terhelések időszakában, amikor az üresen járó távvezeték kapacitív betáplálása jelentős mértékűvé válhat, feszültség emelkedést okozva ezzel a fogyasztói csatlakozókapcson. Itt védekezésül söntfojtókat építenek be.
Kompenzáció állandó hatásos és állandó meddő teljesítmény mellett
Tervezési feladat: a cos javítása állandó hatásos teljesítmény mellett! • Kiindulás az eredeti teljesítmény-háromszögből: tg 1 = Q1 / P. • Elérni kívánt eredmény a teljesítményháromszögből: tg 2 = (Q1 - QC) / P. • Rendezve és QC-re megoldva a következő végeredményt kapjuk: QC = P . (tg 1 - tg 2). Gyakorlati számítás általában táblázat segítségével.
Kompenzáció állandó látszólagos teljesítmény mellett: • S látszólagos teljesítmény igénybevétele mellett P-vel legyen megnövelhető a P1. A vektorábra alapján a teljesítmény-háromszögekből mindkét esetre felírható, hogy: S = P1 / cos1 = P2 / cos2 = (P1 + P) / cos2 , P = P1 . / (cos2/cos1) - 1/ . • P-hez szükséges meddő teljesítmény: QC = P1 . tg1 - P2 . tg2 .
Számítási példa: • Legyen például 100 kVA-es látszólagos teljesítmény és cos1 = 0,6 esetén a hatásos teljesítmény 60 kW. • Ha még 20 kW-os cos = 1 teljesítménytényezőjű fogyasztót kívánunk hálózatbővítés nélkül bekapcsolni, akkor a szükséges cos2 a korábbi összefüggés alapján: cos2=cos1./1+(P/P1)/= 0,6./1+(20/60)/=0,8. • A szükséges meddő teljesítmény pedig: QC = 60 . 1,333 - 80 . 0,75 = 20 kVAr.
Fázisjavítási módok • • • •
Egyedi fázisjavítás (fénycsövek). Csoportos fázisjavítás (szivattyúcsoport). Központi fázisjavítás (épület betáplálásnál). Fázisjavítás állandó hatásos teljesítmény mellett (alkalmazás központi fázisjavításnál). • Fázisjavítás állandó látszólagos teljesítmény mellett (alkalmazás kábel vagy vezeték terhelhetőség növelésénél).
Transzformátor egyedi kompenzációja
Aszinkron motor egyedi kompenzációja
Automatikus fázisjavítás: • Az előbb említett állandó hatásos teljesítmény melletti központi fázisjavításnak nevezzük a fázisjavításnak azt a módját, amellyel az egész elosztó rendszerhez (kapcsolótérhez) tartozó meddő teljesítménynek a legnagyobb részét úgy kompenzáljuk, hogy általában több csoportra osztott kondenzátorokat kötünk össze és ezt az épület vagy üzem központi elosztó-, gyűjtősín rendszerére csatlakoztatjuk. A több kapcsolható csoportra való bontás lehetőséget nyújt az üzemi meddőenergia forgalom változásainak követésére (lásd a következő ábrát).
Csoportos kompenzáció vagy központi kompenzáció
Kompenzázió kiépítése (kompenzáló teljesítmény, vezeték keresztmetszet és olvadóbiztosító)
