Влияние величины напряжения на потери

Влияние коэффициента мощности на потери в силовом трансформаторе

Под потерями электроэнергии понимается процесс, при котором электрическая энергия преобразуется в другой вид энергии и рассеивается, не совершая никакой нужной и полезной работы.

Одним из факторов, влияющих на потери электроэнергии при её передаче, является величина cos⁡(φ) в сети. Отклонение этой величины от нормированной ведёт к излишним активным потерям в элементах сети, в том числе трансформаторах. Одним из эффективных способов коррекции cos⁡(φ) и как следствие снижения потерь являются мероприятия по компенсации реактивной мощности.

Нагрузочные потери в элементах сети

Энергосистема является совокупностью различных элементов, таких как генераторы, силовые трансформаторы, линии, нагрузка и т.д. Каждый элемент с точки зрения электротехники представляет собой сопротивление, имеющее активную и реактивную составляющую. При этом при протекании тока через реактивную составляющую (индуктивную или емкостную), энергия периодически преобразуется из электрической энергии в энергию поля и обратно без рассеивания и потерь. Поэтому потери энергии непосредственно в реактивной составляющей сопротивления отсутствуют.

Основное же потребление и потери электроэнергии связанны с активной составляющей сопротивления всех элементов сети. Потребление полезной мощности связанно с активным сопротивлением нагрузки, а потери с активным сопротивлением других элементов сети.

При передаче и потреблении электроэнергии активная мощность, выделяющаяся на элементе равна:

где I – ток, протекающий по активной составляющей сопротивления элемента сети;

R – активная составляющая сопротивления элемента сети.

Т.к. сопротивление нагрузки на порядок больше сопротивления других элементов: трансформаторов и линий – то полный ток по большей части зависит именно от полного сопротивления нагрузки. Из рис. 1 видно, что через активное сопротивление передающих энергию элементов течет полный ток I , являющийся векторной суммой активной Iа и реактивной Iр составляющей тока нагрузки. Поэтому на элементах выделяется и рассеивается мощность, зависящая и от активного и от реактивного сопротивления нагрузки. Эта мощность именуется нагрузочными потерями. Таким образом, реактивная нагрузка оказывает непосредственное влияние на потери энергии в элементах сети.

Рис.1. Схема замещения для линии и нагрузки

В трёхфазных системах нагрузочные потери в элементе системы (трансформатор, линия) определяются как:

Полная мощность S, передаваемая по элементу, линейный ток I_л, фазный ток I_ф, фазное U_ф и линейное Uл напряжения связаны соотношением:

Исходя из вышеуказанных соотношений, получим:

В сети переменного тока отношение активной мощности P к полной мощности S выражается безразмерной величиной cos⁡(φ). В свою очередь полная мощность с активной мощностью связанна соотношением:

Из соотношений (5), (6) получим:

Потери в силовом трансформаторе

Активные потери в силовом трансформаторе обусловлены сопротивлением его обмоток. При этом эти потери можно разделить на два типа:

1. Условно постоянные потери – потери холостого хода, независящие от нагрузки.
2. Нагрузочные потери, связанные с протеканием тока нагрузки через сопротивление обмоток.

Нагрузочные потери в силовом трансформаторе описываются выражением (7), где одной из влияющих величин является cos⁡(φ). Поэтому для оценки влияния этой величины на потери в трансформаторе можно рассматривать именно нагрузочную составляющую потерь.

Силовой трансформатор обладает активным и реактивным сопротивлением, при их расчете нужно отталкиваться от схемы замещения трансформатора. Схемы замещения для различных видов трансформаторов приведены в таблице 1.

Таблица 1. Схемы замещения и расчетные выражения для силовых трансформаторов

Из соотношения (7) и расчетных выражений в таблице 1 получим выражения для расчета потерь в силовом трансформаторе:

где P – активная мощность, передаваемая через трансформатор;

∆P_кз – потери короткого замыкания.

Для трёхобмоточного трансформатора мощность потерь находится для каждой ветви в схеме замещения отдельно.

Зависимость потерь активной мощности в трансформаторе от cos⁡(φ) отображена на рис. 2. Вертикальная ось определяет процентное отношение потерь при заданном значении cos⁡(φ) к потерям при cos⁡(φ) = 0,6.

Рис.2 Зависимость потерь активной мощности в трансформаторе от значения cos⁡(φ)

Пример расчета

В качестве примера приведем расчет потерь в силовом трансформаторе ТМГ-1000/10/0,4 при коэффициенте загрузки K_З = 0,8 и cos⁡(φ₁) = 0,76. Так же проведем расчет при компенсации реактивной мощности до значения cos⁡(φ₂ ) = 0,98. ∆P_кз = 11500 Вт, Uл = 380 В.

При расчете сопротивления трансформатора приводим его к стороне низкого напряжения, поэтому используем при расчете номинальное напряжение вторичной обмотки.

Рассчитаем потери в трансформаторе при той же передаваемой мощности P = 608 кВт и скомпенсированном cos⁡(φ₂ ) = 0,98.

При данных начальных условиях и скомпенсированном cos⁡(φ) наблюдается существенная разгрузка трансформатора до значения K_З = 0,62 и снижение нагрузочных потерь на 40% процентов.

Выводы

Рассматривая потери мощности в силовом трансформаторе и влияние cos⁡(φ) на них, аналитическим и графическим путем была показана зависимость данных величин друг от друга.

В свою очередь с экономической точки зрения компенсация реактивной мощности в сети приводит не только к уменьшению потерь в силовом трансформаторе, но так же позволяет достичь существенной его разгрузки. Разгрузка трансформатора позволяет увеличить его срок службы, а так же, при возможном росте количества потребителей и общей потребляемой мощности, избежать замены трансформатора на более мощный.

Потери электроэнергии в электрических сетях

Потери электроэнергии в электрических сетях неминуемы, поэтому важно чтобы они не превышали экономически обоснованного уровня. Превышение норм технологического расхода говорит о возникших проблемах. Чтобы исправить ситуацию необходимо установить причины возникновения нецелевых затрат и выбрать способы их снижения. Собранная в статье информация описывает многие аспекты этой непростой задачи.

Виды и структура потерь

Под потерями подразумевается разница между отпущенной потребителям электроэнергией и фактически поступившей к ним. Для нормирования потерь и расчетов их фактической величины, была принята следующая классификация:

• Технологический фактор. Он напрямую зависит от характерных физических процессов, и может меняться под воздействием нагрузочной составляющей, условно-постоянных затрат, а также климатических условий.
• Расходы, затрачиваемые на эксплуатацию вспомогательного оборудования и обеспечение необходимых условий для работы техперсонала.
• Коммерческая составляющая. К данной категории относятся погрешности приборов учета, а также другие факторы, вызывающие недоучет электроэнергии.

Ниже представлен среднестатистический график потерь типовой электрокомпании.

Как видно из графика наибольшие расходы связаны с передачей по воздушным линиям (ЛЭП), это составляет около 64% от общего числа потерь. На втором месте эффект коронированния (ионизация воздуха рядом с проводами ВЛ и, как следствие, возникновение разрядных токов между ними) – 17%.

Исходя из представленного графика, можно констатировать, что наибольший процент нецелевых расходов приходится на технологический фактор.

Основные причины потерь электроэнергии

Разобравшись со структурой, перейдем к причинам, вызывающим нецелевой расход в каждой из перечисленных выше категорий. Начнем с составляющих технологического фактора:

1. Нагрузочные потери, они возникают в ЛЭП, оборудовании и различных элементах электросетей. Такие расходы напрямую зависят от суммарной нагрузки. В данную составляющую входят:

• Потери в ЛЭП, они напрямую связаны с силой тока. Именно поэтому при передаче электроэнергии на большие расстояния используется принцип повышения в несколько раз, что способствует пропорциональному уменьшению тока, соответственно, и затрат.
• Расход в трансформаторах, имеющий магнитную и электрическую природу ( 1 ). В качестве примера ниже представлена таблица, в которой приводятся данные затрат на трансформаторах напряжения подстанций в сетях 10 кВ.

Нецелевой расход в других элементах не входит в данную категорию, ввиду сложностей таких расчетов и незначительного объема затрат. Для этого предусмотрена следующая составляющая.

1. Категория условно-постоянных расходов. В нее входят затраты, связанные со штатной эксплуатацией электрооборудования, к таковым относятся:

• Холостая работа силовых установок.
• Затраты в оборудовании, обеспечивающем компенсацию реактивной нагрузки.
• Другие виды затрат в различных устройствах, характеристики которых не зависят от нагрузки. В качестве примера можно привестисиловую изоляцию, приборы учета в сетях 0,38 кВ, змерительные трансформаторы тока, ограничители перенапряжения и т.д.

1. Климатическая составляющая. Нецелевой расход электроэнергии может быть связан с климатическими условиями характерными для той местности, где проходят ЛЭП. В сетях 6 кВ и выше от этого зависит величина тока утечки в изоляторах. В магистралях от 110 кВ большая доля затрат приходится на коронные разряды, возникновению которых способствует влажность воздуха. Помимо этого в холодное время года для нашего климата характерно такое явление, как обледенение на проводах высоковольтных линий, а также обычных ЛЭП.

Учитывая последний фактор, следует учитывать затраты электроэнергии на расплавление льда.

Расходы на поддержку работы подстанций

К данной категории отнесены затраты электрической энергии на функционирование вспомогательных устройств. Такое оборудование необходимо для нормальной эксплуатации основных узлов, отвечающих за преобразование электроэнергии и ее распределение. Фиксация затрат осуществляется приборами учета. Приведем список основных потребителей, относящихся к данной категории:

• системы вентиляции и охлаждения трансформаторного оборудования;
• отопление и вентиляция технологического помещения, а также внутренние осветительные приборы;
• освещение прилегающих к подстанциям территорий;
• зарядное оборудование АКБ;
• оперативные цепи и системы контроля и управления;
• системы обогрева наружного оборудования, например, модули управления воздушными выключателями;
• различные виды компрессорного оборудования;
• вспомогательные механизмы;
• оборудование для ремонтных работ, аппаратура связи, а также другие приспособления.

Коммерческая составляющая

Под данными затратами подразумевается сальдо между абсолютными (фактическими) и техническими потерями. В идеале такая разница должна стремиться к нулю, но на практике это не реально. В первую очередь это связано с особенностями приборов учета отпущенной электроэнергии и электросчетчиков, установленных у конечных потребителей. Речь идет о погрешности. Существует ряд конкретных мероприятий для уменьшения потерь такого вида.

К данной составляющей также относятся ошибки в счетах, выставленных потребителю и хищения электроэнергии. В первом случае подобная ситуация может возникнуть по следующим причинам:

• в договоре на поставку электроэнергии указана неполная или некорректная информация о потребителе;
• неправильно указанный тариф;
• отсутствие контроля за данными приборов учета;
• ошибки, связанные с ранее откорректированными счетами и т.д.

Что касается хищений, то эта проблема имеет место во всех странах. Как правило, такими противозаконными действиями занимаются недобросовестные бытовые потребители. Заметим, что иногда возникают инциденты и с предприятиями, но такие случаи довольно редки, поэтому не являются определяющими. Характерно, что пик хищений приходится на холодное время года, причем в тех регионах, где имеются проблемы с теплоснабжением.

Различают три способа хищения (занижения показаний прибора учета):

1. Механический. Под ним подразумевается соответствующее вмешательство в работу прибора. Это может быть притормаживание вращения диска путем прямого механического воздействия, изменение положения электросчетчика, путем его наклона на 45° (для той же цели). Иногда применяется более варварский способ, а именно, срываются пломбы, и производится разбалансирование механизма. Опытный специалист моментально обнаружит механическое вмешательство.
2. Электрический. Это может быть как незаконное подключение к воздушной линии путем «наброса», метод инвестирования фазы тока нагрузки, а также использование специальных приборов для его полной или частичной компенсации. Помимо этого есть варианты с шунтированием токовой цепи прибора учета или переключение фазы и нуля.
3. Магнитный. При данном способе к корпусу индукционного прибора учета подносится неодимовый магнит.

Практически все современные приборы учета «обмануть» вышеописанными способами не удастся. Мало того, подобные попытки вмешательства могут быть зафиксированы устройством и занесены в память, что приведет к печальным последствиям.

Понятие норматива потерь

Под данным термином подразумевается установка экономически обоснованных критериев нецелевого расхода за определенный период. При нормировании учитываются все составляющие. Каждая из них тщательно анализируется отдельно. По итогу производятся вычисления с учетом фактического (абсолютного) уровня затрат за прошедший период и анализа различных возможностей, позволяющих реализовать выявленные резервы для снижения потерь. То есть, нормативы не статичны, а регулярно пересматриваются.

Под абсолютным уровнем затрат в данном случае подразумевается сальдо между переданной электроэнергией и техническими (относительными) потерями. Нормативы технологических потерь определяются путем соответствующих вычислений.

Кто платит за потери электричества?

Все зависит от определяющих критериев. Если речь идет о технологических факторах и расходах на поддержку работы сопутствующего оборудования, то оплата потерь закладывается в тарифы для потребителей.

Совсем по иному обстоит дело с коммерческой составляющей, при превышении заложенной нормы потерь, вся экономическая нагрузка считается расходами компании, осуществляющей отпуск электроэнергии потребителям.

Способы уменьшения потерь в электрических сетях

Снизить затраты можно путем оптимизации технической и коммерческой составляющей. В первом случае следует принять следующие меры:

• Оптимизация схемы и режима работы электросети.
• Исследование статической устойчивости и выделение мощных узлов нагрузки.
• Снижение суммарной мощности за счет реактивной составляющей. В результате доля активной мощности увеличится, что позитивно отразится на борьбе с потерями.
• Оптимизация нагрузки трансформаторов.
• Модернизация оборудования.
• Различные методы выравнивания нагрузки. Например, это можно сделать, введя многотарифную систему оплаты, в которой в часы максимальной нагрузки повышенная стоимость кВт/ч. Это позволит существенно потребление электроэнергии в определенные периоды суток, в результате фактическое напряжение не будет «проседать» ниже допустимых норм.

Уменьшить коммерческие затраты можно следующим образом:

• регулярный поиск несанкционированных подключений;
• создание или расширение подразделений, осуществляющих контроль;
• проверка показаний;
• автоматизация сбора и обработки данных.

Методика и пример расчета потерь электроэнергии

На практике применяют следующие методики для определения потерь:

• проведение оперативных вычислений;
• суточный критерий;
• вычисление средних нагрузок;
• анализ наибольших потерь передаваемой мощности в разрезе суток-часов;
• обращение к обобщенным данным.

Полную информацию по каждой из представленных выше методик, можно найти в нормативных документах.

В завершении приведем пример вычисления затрат в силовом трансформаторе TM 630-6-0,4. Формула для расчета и ее описание приведены ниже, она подходит для большинства видов подобных устройств.

Для понимания процесса следует ознакомиться с основными характеристиками TM 630-6-0,4.

Теперь переходим к расчету.

Список использованной литературы

• Ю. Железко «Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов» 2009
• Поспелов Г.Е. «Потери мощности и энергии в электрических сетях» 1981
• Шведов Г.В., Сипачева О.В., Савченко О.В. «Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение» 2013
• Фурсанов М.И. «Определение и анализ потерь электроэнергии в электрических сетях энергосистем» 2005

От чего зависят потери тока в электрических сетях

Повышение энергоэффективности является основной задачей проектировщиков и эксплуатационщиков силовой электроники. Потери тока и напряжения связанные с проводами, кабельными муфтами, наконечниками, соединителями являются серьезной проблемой при соединении и распределении напряжения, а также внутри трансформаторов, особенно на частотах, способствующих возникновению вихревых токов.

Потери тока это большие суммы убытка от передачи и распределения напряжения, которые не компенсируются пользователями.

Распределительный сектор рассматривается как проблемное звено во всем энергетическом секторе.

Так потери тока при передаче составляют примерно 17%, из них потери электрокоммутационных систем — примерно 50%.

С целью повышения энергоэффективности торговый дом «Скала» сконцентрировался на поставках большого перечня оборудования и устройств силовой электроники. Сотрудничество с заводами-изготовителями у данной компании позволяет поставлять продукцию от бытовой проводки до сложной оснастки по укладке высоковольтных линий передачи в короткое время. Так поставка уникальной оснастки в виде кабельных чулков по прокладке кабеля в траншеях, колодцах, трубах или металлорукавов для защиты от механических и климатических воздействий не является проблемой. Узкоспециализированное электрокоммуникационное оборудование позволяет смонтировать оборудование с наименьшими затратами.

Типы потерь при передаче тока

1. Технические потери.
2. Технологические – из-за погрешностей, недостоверности расчетов, краж.

Технические потери

Технические потери тока обусловлены энергией, рассеиваемой в проводниках, оборудовании, используемом для линии электропередачи, как кабельные муфты, наконечники, соединители, трансформаторы, подлинии электропередачи и распределительные линии. Для снижения утраты тока должны применяться технически исправные электрокоммуникационные устройства.
Технические потери напряжения обычно составляют около половины потерь от распределения, и непосредственно зависят от характеристик и режима работы сети. Основной объем утрат в энергосистеме приходится на физические параметры как активное погонное сопротивление, погонная индуктивность, емкость и проводимость изоляции, затухание и волновое сопротивление. Поэтому распределительные системы должны быть должным образом исправны, чтобы обеспечить утраты в пределах допустимых пределов.

Кроме того, неожиданное увеличение нагрузки выражается в увеличении технических потерь выше нормального уровня и приводит к авариям и неисправностям.

Существует два вида технических потерь

1. Постоянные/фиксированные технические потери

Фиксированные потери не изменяются в зависимости от тока и составляют от 25% и 40%. Эти потери принимают форму тепла и шума и происходят до тех пор, пока энергосеть находится под напряжением. Эти энергозатраты в распределительных сетях являются фиксированными.

К основным фиксированным потерям тока в сети можно отнести следующие:

• из-за тока утечки
• коронный разряд в виде ионизации воздуха
• диэлектрические рассеивания энергии
• утечка в выключенной цепи
• вызванные непрерывной нагрузкой измерительных элементов и элементов управления

Переменные потери изменяются в зависимости от количества распределяемой электроэнергии и, пропорциональны квадрату тока. Следовательно, увеличение тока на 2% приводит к увеличению затрат более чем на 2%. От 60% до 75% технических или физических затрат в распределительных сетях являются переменными. Переменные уменьшения тока могут быть изменены путем ремонта и модернизации существующих линий. Так при увеличении площади поперечного сечения кабелей для определенной нагрузки затраты будут падать. Это приводит к прямому соглашению между объемом потерь и стоимостью финансовых затрат. Считается, что оптимальный средний коэффициент потерь, обосновывающий стоимость при проектировании энергосистемы, должен быть минимальным.

К переменным потерям относятся:

• джоулевые потери тока (тепловые) в линиях
• из-за импедансного сопротивления (переменного тока)
• вызванные контактным сопротивлением

Основные причины технических потерь

• Длинные распределительные линии

На практике линии протягиваются на большие расстояния для подачи нагрузок, разбросанных по большим площадям. Таким образом, распределительные линии радиально проложены и обычно простираются на большие расстояния. Это приводит к высокому сопротивлению линии и, следовательно, высоким значениям I 2 R в линии.

• Бессистемное разрастание субтрансляционной и распределительной систем в новые районы
• Значительная электрификация сельских районов с помощью длинных линий
• Недостаточный размер сечения проводников распределительных линий.

Размер сечения проводников следует выбирать исходя из мощности стандартного проводника для поддержания определенного напряжения, но сельские нагрузки обычно рассеяны и обычно питаются радиальными потребилелями. Размер проводника этих фидеров должен быть достаточным.

• Установка силовых трансформаторов вдали от центров нагрузки
  Если силовые трансформаторы расположить не в центре распределительной системы, то самые дальние потребители получают экстремально низкое напряжение, даже если на трансформаторах поддерживается хороший уровень напряжения. Поэтому, чтобы уменьшить падение напряжения в линии до самых дальних потребителей, силовой трансформатор должен быть расположен в центре нагрузки, чтобы держать падение напряжения в разрешенных пределах.
• Низкий коэффициент мощности энергосистемы.

Стандартный коэффициент мощности обычно колеблется от 0,6 до 0,7. Низкий коэффициент мощности способствует высоким распределительным падениям тока. Если коэффициент мощности низкий, то потери, пропорциональные квадрату тока, будут больше. Таким образом, падения тока в линии могут быть уменьшены путем улучшения коэффициента мощности.

• Плохое качество силовой электрофурнитуры

Плохое качество силовой электрофурнитуры вносит значительный вклад в увеличение потерь при распределении. Кабельные муфты, наконечники, соединители, кабели и материалы кабельного монтажа, припой, защита кабеля в земле являются источниками потерь тока. Поэтому количество стыков должно быть сведено к минимуму. Для обеспечения прочных соединений необходимо использовать надлежащие методы соединения. Соединения с предохранителем, изолятором, выключателем и т. д. должны периодически проверяться и поддерживаться в надлежащем состоянии, чтобы избежать искрения и нагрева контактов. Замена поврежденных проводов и соединений также должна производиться своевременно, чтобы избежать любой причины утечки и потери мощности.

• Фазный ток фидера и балансировка нагрузки

Одним из самых простых способов экономии в распределительной системе является балансировка тока по трехфазным цепям. Балансировка фаз фидера также имеет тенденцию уравновешивать падение напряжения между фазами, давая трехфазным клиентам меньший дисбаланс напряжения. Даже если напряжение по всем фазам выходит одинаковое, то это не значит что у потребителей будет также. Фидеры обычно считаются без перекоса фаз когда величины фазного тока разняться не более чем на 10%. Балансировка и перераспределение нагрузки снизит потери тока. Обычно для устранения устанавливаются дополнительные переключатели нагрузки.

• Влияние коэффициента нагрузки на потери

Затрачиваемая потребителем энергия зависит от времени суток и года. Жилые дома обычно имеют самый высокий спрос на электроэнергию в вечерние часы. Предприятия промышленности потребляют больше энергии в начале и середине дня. Поскольку текущая нагрузка является основным фактором потерь распределительной мощности, регулирование потребления энергии на более высоком уровне в течение дня помогает снизить пиковые и общие падения энергии. Процент потерь напряжения также снижается за счет повышения коэффициента нагрузки.
Энергоснабжающие компании также используют стоимостные параметры, чтобы повлиять на потребителей. Так в нерабочее время стоимость электроэнергии ниже.

Технологические потери

Нетехнические потери напряжения связаны с показаниями счетчиков, ошибками в показаниях приборов учета, выставлением счетов за потребление энергии клиентами, отсутствием администрирования, финансовыми ограничениями, а также кражами энергии.
Основные причины нетехнических потерь устраняются административным порядком.