Исследование и оптимизация технических потерь при передаче электроэнергии потребителям

Research and optimization of technical losses in the transmission of electricity to consumers

Anton Pashchenko

Student, Institute of service and entrepreneurship (branch in Shakhty) of don state technical University, Russian Federation, Shakhty

Dmitry Kochubey

Student, Institute of service and entrepreneurship (branch in Shakhty) of don state technical University, Russian Federation, Shakhty

Sergey Ovchinnikov

Student, Institute of service and entrepreneurship (branch in Shakhty) of don state technical University, Russian Federation, Shakhty

Oleg Sobolev

Student, Institute of service and entrepreneurship (branch in Shakhty) of don state technical University, Russian Federation, Shakhty

Ivan Naumov

candidate of technical Sciences, associate Professor, Institute of service and entrepreneurship (branch in Shakhty) of don state technical University, Russian Federation, Shakhty

Аннотация. Наличие электроэнергии является самым мощным источником содействия экономическому, промышленному и социальному развитию любого государства. Электроэнергия передается по линиям электропередачи, которые доставляют электроэнергию от генерирующих станций к центрам нагрузки и потребителям. В этой статье рассматриваются различные виды потерь, неучтенные при передаче электроэнергии. Чтобы электроэнергия дошла до конечных потребителей в надлежащем виде и качестве, потери при передаче и распределении по линиям должны быть сведены к минимуму.

Abstract. The availability of electricity is the most powerful source of assistance to the economic, industrial and social development of any state. Electricity is transmitted through transmission lines that deliver electricity from generating stations to load centers and consumers. This article discusses the various types of losses unaccounted for in the transmission of electricity. In order for electricity to reach the final consumers in the proper form and quality, transmission and distribution losses along the lines must be minimized.

Ключевые слова: технические потери; передача электроэнергии; распределение электроэнергии; потери электрической энергии.

Keywords: technical losses; transmission of electric power; distribution of electric power; losses of electric energy.

Энергия является основной необходимостью для экономического развития нации. Существуют разные типы энергии, но наиболее важным типом является электрическая энергия. Современное общество сильно зависит от использования электрической энергии. Задачи, которые связаны с выработкой электроэнергии, передачей и распределением электроэнергии, должны иметь первостепенное значение в процедуре национального планирования любого государства в силу важности электрической энергии для экономического и социального развития общества. Планирование энергетических установок в целях удовлетворения спроса на электроэнергию является одним из наиболее важных вопросов в энергетических системах. Поскольку мы знаем, что линии электропередач соединяют электростанции и подстанции в энергосистеме, исследование, расчет и уменьшение потерь при передаче и распределении в этих электрических сетях вызывает большую озабоченность у инженеров-электриков.

Эта разница между сгенерированными и распределенными модулями известна как потеря передачи и распределения.

Сектор распределения считается самым слабым звеном во всей электроэнергетике. Потери при передаче приблизительно 17%, а потери при распределении составляют около 50%. Потери при передаче и распределении делятся на два типа.

1. Технические потери

2. Нетехнические Потери (Коммерческие Потери)

Технические потери обусловлены физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям и выражающимися в преобразовании части электроэнергии в тепло в элементах сетей. Технические потери не могут быть измерены.

Технические потери обычно составляют 22,5% и напрямую зависят от характеристик сети и режима работы. Технические потери далее подразделяются на два типа:

Постоянные / фиксированные технические потери

- Фиксированные потери не различаются в зависимости от тока. Эти потери переходят тепло и шума и присутствуют до тех пор, пока трансформатор находится под напряжением.

- От 1/4 до 1/3 технических потерь в распределительных сетях - постоянные потери. И эти потери в сети перечислены ниже:

• Потери Короны.
• Потери Тока Утечки.
• Диэлектрические потери.
• Потери незамкнутой цепи.
• Потери, создаваемые непрерывной нагрузкой измерительных элементов.
• Потери, создаваемые непрерывной нагрузкой элементов управления.

Переменные технические потери

Переменные потери изменяются в зависимости от количества распределяемой электроэнергии и, точнее, пропорциональны квадрату тока. Поэтому увеличение тока на 1% приводит к увеличению потерь более чем на 1%.

• От 2/3 до 3/4 технических (или физических) потерь в распределительных сетях являются переменными потерями.
• Увеличивая площадь поперечного сечения линий и кабелей для определенной нагрузки, потери будут уменьшаться. Это привело к прямому компромиссу между стоимостью потерь и стоимостью капитальных затрат.
• Джоуля потери на каждом уровне напряжения.
• Импедансные потери.
• Потери, вызванные контактным сопротивлением.

Среди нескольких причин потерь при передачи и распределения, самые важные описаны ниже;

1. Длинные линии распределения.

2. Недостаточный размер сечения проводников линий распределения.

3. Установка распределительных трансформаторов вдали от центров нагрузки.

4. Низкий коэффициент мощности первичной и вторичной распределительной системы. Обычно в большинстве схем распределения ЛЧ коэффициент мощности колеблется от 0,65 до 0,75. Низкий коэффициент мощности дает большие потери при распределении.

5. Потребление энергии потребителя колеблется в течение дня и в течение сезонов. Изменение нагрузки называется коэффициентом нагрузки и варьируется от 0 до 1.

Коэффициент нагрузки = Средняя нагрузка в указанный период времени / пиковая нагрузка за этот период времени.

6. В распределительных трансформаторах используют медный проводник в обмотках, чтобы индуцировать магнитное поле в сердечнике текстурированной кремнистой стали. Таким образом, трансформаторы имеют как потери при нагрузке, так и потери без нагрузки.

7. Утечка и потеря мощности.

8. Перегрузка линий.

9. Ненормальные условия эксплуатации, при которых работали силовые и распределительные трансформаторы

10. Низкое напряжение на потребительских клеммах, вызывающее более высокий ток при индуктивных нагрузках.

11. Плохое качество оборудования, используемого в сельской местности, кондиционеры, кулеры и промышленная нагрузка в городских районах.

Основной причиной потерь в линиях передачи и распределения является сопротивление проводников потоку тока. Создание тепла в проводнике в результате протекания тока увеличивает в нем температуру. Это увеличение температуры проводника увеличивает сопротивление проводника и, следовательно, потери будут расти. Это указывает на то, что омическая потеря мощности является основным компонентом потерь в линиях передачи и распределения.

Потеря Ома рассчитывается по формуле:

Где:  I - ток проводника, R - сопротивление проводника.

Формирование короны на линии электропередачи связано с потерей мощности, которая будет оказывать определенное влияние на эффективность линии передачи. Коронные потери мощности рассчитываются по формуле:

Где: f - частота передачи, δ - коэффициент плотности воздуха, r - радиус проводника, d- пространство между линиями передачи, V - рабочее напряжение, V₀ - разрушающее напряжение.

В результате суммарной потери мощности на линиях передачи суммирования омических и коронных потерь мы имеем

Из этого следует:

Общий вид уравнения (4) определяется формулой

Где: ρ - Сопротивление проводника, L - длина проводника, A - площадь поперечного сечения проводника.

Основываясь на работе, выполняемой коммунальными предприятиями, а также обзорами других отраслевых исследований, электрические потери могут быть уменьшены за счет улучшения системы как в системах передачи, так и в распределении. Для обоснования необходимых затрат на эти усовершенствования системы требуется общий или конкретный анализ затрат и результатов.

Для систем передачи:

• Оптимизация существующих элементов управления для трансформаторных отводов, генераторы напряжения и коммутируемые шунтирующие конденсаторы уменьшают ток и минимизируют потери.
• Добавление шунтирующих конденсаторов, постоянных и коммутируемых, в точках системы, наиболее близких к потребителю реактивной нагрузки, уменьшает ток и минимизирует потери.

Для систем распределения:

• Балансировка фазы уменьшает потери на линии и потери в проводниках.
• Распределительные конденсаторы на питающих линиях для улучшения коэффициента мощности уменьшают потери в линии.
• Комплексная автоматизация и телемеханизация электрических сетей, применение коммутационных аппаратов нового поколения;
• Применение средств дистанционного поиска мест повреждения в электрических сетях для сокращения времени поиска и устранения аварий.
• Внедрение устройств автоматического регулирования напряжения под нагрузкой, вольт-добавочных трансформаторов, средств встроенного регулирования напряжения;
• Проведение работы по компенсации реактивных нагрузок;
• Усиление элементов уже работающих сетей путем прокладки новых линий или замене кабелей на большие сечения;

Сеть электрической системы динамична, постоянно совершенствуется в соответствии с совершенствованием технологий. В следующем пункте описывается влияние новых технологий на потери в системах передачи и распределения.

Новая тенденция рассматривает высоковольтные линии постоянного тока из-за некоторых преимуществ и эффективности. Согласно исследованию АББ, высоковольтные линии постоянного тока обеспечивают на 25% меньшие потери в линии, в два-пять раз превосходящие мощность линий переменного тока при одинаковых напряжениях и возможности точно контролировать поток мощности.

Исторически сложилось так, что для большинства операторов передачи были слишком высокими затраты на рассмотрение постоянного тока высокого напряжения в качестве опции. Тем не менее, благодаря технологическим усовершенствованиям и более экономичным вариантам, высоковольтный постоянный ток может считаться более осуществимым в ближайшем будущем.

Подстанции с газовой изоляцией - это возможное решение, помогающее уменьшить потери. Типичные подстанции занимают большие участки земли и находятся за пределами плотных областей нагрузки. В результате, линии низкого напряжения от подстанций могут пройти довольно большое расстояние до нагрузочных центров, что увеличивает потери. Подстанции с газовой изоляцией помещаются со всем оборудованием внутри металлического корпуса и могут содержаться в подвале или здании вблизи центра нагрузки, что поможет уменьшить потери.

Из приведенных выше обсуждений, можно сделать вывод, что существует много различных факторов из-за которых происходят потери при передаче и распределении электроэнергии, которые должны быть устранены. Решения, принятые правительством на протяжении многих лет в России, создали неэффективную систему распределения, имеющую очень высокие потери и низкую надежность электроснабжения потребителей. В проводимых энергетических реформах основное внимание должно быть перенесено на модернизацию системы передачи и распределения и повышение ее эффективности для снижения этих потерь. Для этого необходимо внедрять новые технологии для снижения потерь, например, HVDC, газовые подстанции. Эти технологии реализуются в развитых странах, таких как Китай и Соединенные Штаты. Это может вносить вклад в процесс общего национального развития.