Нормирование потерь электроэнергии в трехфазных электрических сетях систем электроснабжения

НОРМИРОВАНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ТРЁХФАЗНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.А. ГЕРКУСОВ С.А. БОРДАНОВ

Казанский Государственный энергетический университет О. О. О. “Инженерный центр”

В данной работе приведены основные понятия и определения, связанные с потерями электроэнергии в электрических сетях систем электроснабжения. Рассмотрены практические зависимости относительных потерь электроэнергии в распределительных сетях от потребляемой электроэнергии и параметров системы электроснабжения. Предложены мероприятия по минимизации относительных потерь электроэнергии.

Затраты на производство и транспорт электроэнергии включают в себя стоимость электроэнергии, расходуемой на её передачу по электрическим сетям (технологические потери). При установлении тарифа на электроэнергию региональные службы по тарифам (РСТ) анализируют обоснованность потерь, включаемых в тариф. В энергоснабжающих организациях существуют резервы снижения потерь, и включение в тариф их фактических значений не стимулирует проведение экономически обоснованных мероприятий по их снижению. В связи с этим возникает задача определения потерь, включение которых в тариф обоснованно (норматива технологических потерь). Сверхнормативные потери должны покрываться за счёт прибыли энергоснабжающих организаций. Ярким тому подтверждением является Положение “Об организации в Министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при её передаче по электрическим сетям” [1],

утверждённое приказом Минпромэнерго РФ от 04. 10. 2005 г.

Нормирование потерь служит организационным инструментом стимулирования энергоснабжающих организаций к проведению экономически обоснованных мероприятий по снижению потерь с целью снижения темпов роста тарифов на электроэнергию. Такое стимулирование необходимо в силу естественной монопольности энергоснабжения и, как следствие, невозможности задействовать для снижения тарифов эффективные рыночные механизмы [2].

Классификация потерь электроэнергии

1. Технические потери электроэнергии - потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами в проводах и электрооборудовании, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям.

2. Коммерческие потери - потери, обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счётчиков суммам оплаты за электроэнергию и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением энергии.

3. Потери электроэнергии, обусловленные инструментальными погрешностями её измерения - недоучёт электроэнергии, в связи с техническими характеристиками и режимами работы приборов учёта электроэнергии на объекте.

© А.А. Геркусов, С.А. Борданов,

Проблемы энергетики, 2006, № 5-6

4. Расход электроэнергии на собственные нужды подстанций - расход электроэнергии, необходимый для обеспечения работы технологического оборудования подстанции и жизнедеятельности обслуживающего персонала.

Из четырех составляющих потерь наиболее сложной являются технические потери, так как они представляют собой сумму потерь во многих элементах электрических сетей.

Расчёт технических потерь электроэнергии. Так для радиальной сети 6^20 кВ годовые нагрузочные потери электроэнергии выражаются формулой [1]

Ж 2(1+1е2ф)- кф 2

ДЖН =-----^--- з Ф • *экв ,

8760 и2

где и - среднее рабочее напряжение, кВ; tgф - коэффициент реактивной

мощности; Лэкв - эквивалентное сопротивление сети, Ом; кф2 - коэффициент формы графика нагрузки:

кф2 = .

3-к

3

Т

Здесь к3 =---= тах - коэффициент заполнения графика нагрузки; Т=8760 ч

Ршах -Т Т

- число часов в году, ч; ТШах - время использования максимума нагрузки, ч; Ршах - максимальная годовая нагрузка.

Потери энергии в трансформаторах состоят из двух частей [2]:

- постоянных потерь, независящих от нагрузки, - ДРхТ;

- переменных потерь, зависящих от нагрузки, - ДРкт:

ДУтр =ДРХТ+АРкт ,

где т - время максимума потерь, ч., определяемое по империческому выражению

т =

ДРк - потери короткого замыкания - изменяются в зависимости от мощности протекающей через обмотки трансформатора Бтр:

Б 2

ДРк =ДРк.ном;

Б

ном

ДРх - потери холостого хода, зависящие от конструкции трансформатора и являющиеся постоянной величиной при определённом номинальном напряжении ином.

При нескольких трансформаторах п, установленных на подстанции, потери энергии, согласно (3) и (5), будут

Б 2

ДУтр = п[ДРх Т + ДРк.ном-^•т].

Бном

Электрические сети 0,4 кВ, как правило, представляют собой радиальные линии, связывающие шины 0,4 кВ распределительных трансформаторов (РТ) 6^20/0,4 кВ с вводными устройствами потребителей.

Расчёт потерь электроэнергии в линии 0,4 кВ при известной её схеме и нагрузках в узлах выполняется аналогично расчёту потерь в радиальных линиях 6^20 кВ. При отсутствии данных о нагрузках подключённых потребителей и наличии данных только об энергии, отпускаемой от РТ по головному участку линии, расчёт может производиться исходя из задания в узлах величин, предположительно пропорциональных нагрузкам. В сетях 6-г20 кВ в качестве таких величин используют установленные мощности РТ, в сетях

0,4 кВ может использоваться, например, количество квартир в здании.

На балансе АО-энерго обычно находится некоторое количество линий 0,4 кВ, преимущественно сельских. Данные о схемах и нагрузках этих сетей, как правило, недостоверны. Оснащение всех линий 0,4 кВ счётчиками и обеспечение их нормальной работы неосуществимо. В связи с этим получение ежемесячных данных об энергии, отпускаемой в каждую линию, практически нереально. Поэтому располагаемой информацией о схемах и нагрузках этих сетей, на основе которой может быть проведена оценка потерь электроэнергии в них без проведения дополнительных измерений, являются: суммарная длина,

количество линий разных сечений и суммарная электроэнергия, отпускаемая в эти линии. Метод, использующий эти данные, согласно [3], - метод расчёта потерь по суммарной длине линий.

Согласно этого метода, в диапазоне алюминиевых проводов сечением 35120 мм2 формула для расчёта потерь в N¡7 линиях с сечением головных участков ¥ и суммарной длиной Ь¥ имеет вид

Ж 2(1+1е2ф)кф 2 • Ь¥

дЖн = 9,3----^---^2ф-------¥• кнес • котв • кь • kN,

8760^ N¥ 2 • ¥

где кнес = 1,35 ^ 0,2 - коэффициент увеличения потерь в линии с несимметричной нагрузкой фаз; кь=0,33^0,5 - коэффициент, учитывающий влияние

распределённости нагрузок вдоль линии, для линий с сосредоточенной нагрузкой принимается равным 1,0; ^ = 1,1 ± 0,06 - повышающий коэффициент, учитывающий неодинаковость плотностей тока на головных участках линий; котв - понижающий коэффициент, учитывающий удельные потери в ответвлениях линии. Согласно [1, 3]

котв =1 - 0,75 • кразв .

Здесь кразв = Ь0 / - относительная длина ответвлений (для

неразветвлённых линий кразв=0).

В силу существенных различий в структуре сетей и их протяжённости норматив потерь для каждой энергоснабжающей организации представляет собой индивидуальное значение, определяемое на основе схем и режимов работы электрических сетей и особенностей учёта поступления и отпуска электроэнергии.

Под нормативом потерь N понимают приемлемый по экономическим критериям уровень потерь, определяемый на основе расчёта потерь и анализа возможности снижения в планируемом периоде каждой составляющей их

фактической структуры и представляющий собой отношение заданной составляющей фактических потерь АЖ к расходуемой электроэнергии Ж:

АЖ

N = ^—100%.

Ж

До принятия Минпромэнерго РФ Положения, Порядка и Методики от

04. 10. 2005г. №267 опубликованные нормативы ФСТ [3] носили рекомендательный характер, однако многие РСТ применяли их как императив. Проведём качественное сравнение. Норматив технических потерь, рассчитанный для ст. Зелёный Дол Юдинской дистанции электроснабжения Горьковской железной дороги (ЭЧ-7), по фактическим схемам и нагрузкам сетей, снятым в день зимнего солнцестояния, без учёта потерь электроэнергии, обусловленных погрешностями измерения, приведен в табл. 1. Там же приведён рекомендуемый ФСТ норматив, полученный расчётным путём как средняя относительная величина технических потерь электроэнергии в электрических сетях всех станций и перегонов Горьковской ж. д. Если следовать этому нормативу, можно существенно ухудшить техническое состояние сетей, но оно будет считаться нормальным. Достаточно снизить до определённого уровня коммерческие потери. Аналогичная ситуация и во многих других энергоснабжающих организациях.

Таблица 1

Сопоставление структуры потерь электроэнергии, рассчитанной по схемам сетей и по нормативам ФСТ для ж/д потребителей РЭС З. Дол ЭЧ-7

Способ расчёта потерь Технические потери ДЖ/ Ж %

По схемам сетей По нормативам ФСТ 3,15 13

Приведенные в Положении [1] результаты и данные табл. 1 показывают, что нормативы ФСТ, принципиально декларирующие недопустимость учёта коммерческих потерь, завышают нормативы технических потерь.

Определим норматив технических потерь электроэнергии для электрической сети, состоящей из одноцепной ВЛ-10 кВ, ТП 10/0,4 кВ и ВЛ-0,4 кВ, подключённой к потребителю, с варьируемыми активной нагрузкой линии, длинами ВЛ-10 кВ и ВЛ-0,4 кВ, количеством отходящих фидеров 0,4 кВ, ^(ф) при фиксированном, характерном для ж/д потребителей значении Тнб=4700 ч. (рис. 1).

0.4 кВ

Рис. 1. Норматив технических потерь электроэнергии для электрической сети

Для этого просуммируем активные потери электроэнергии АЖВЛ-1о в ВЛ-10 кВ, АЖТП в распределительном трансформаторе и АЖВЛ-0,4 в ВЛ-0,4 кВ. Полученную сумму разделим на потреблённую электроэнергию Ж:

АЖ АЖвл-ю + АЖТп + АЖвл-0 4

N % = ^--100 =----ВЛ-10-------------------------------------------------—-ВЛ 0,4 -100,

Ж Ж

где АЖВЛ-10, АЖТП, АЖвл-0,4 рассчитываются, соответственно, по формулам (2, 7, 9). Результаты проведенного на ЭВМ расчёта N%=АW/Ж сводим в табл. 2.

Таблица 2

Относительные потери электроэнергии

№ вар - та Мощность и кол-во распредел. тр-ров 8, кВа Длин а ВЛ-10 кВ, Ь км Кол-во отход. ВЛ-0,4 кВ Длин а ВЛ-0,4 Ь км Отпуск эл.энергии^, кВт.ч в миним. и максим. режимах Относит. потери эл. энергии АЖ/Ж% Условное обознач. кривой на рисунке 2

1 160x1 2,5 4 1 76929,037 653897 5,92 2,6 ТП-1

2 630x1 2 6 2 76929,037 2654052 17,15 3,23 ТП-2

3 400x2 2 6 1,2 76929,037 1653974 22,9 3,95 ТП-5

По данным табл. 2 построены кривые зависимостей относительных технических потерь электроэнергии от суммарного отпуска электроэнергии АЖ/Ж=.Д Ж) (рис. 2) для схем электрических сетей (рис. 1).

0,2

0,15

0,1

0,05

0

0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 700000

УУ, кВт.ч

Рис. 2. Зависимость норматива технических потерь электроэнергии от годового потребления для различных источников и схем электроснабжения 10/0,4

Здесь, как следует из табл. 2, каждая из кривых “ТП-1”, “ТП-2”, “ТП-5” отличается количеством и длиной отходящих линий 0,4 кВ, а также количеством и мощностью распределительных трансформаторов.

При этом для всех вариантов схем сечение отходящих от ТП магистральных линий 0,4 кВ принималось постоянным и равным 25 мм2, а провод ВЛ-10 кВ принимался марки АС-35.

Как следует из рис. 2, при одном и том же энергопотреблении норматив технических потерь для схем электрических сетей с различными параметрами различный и имеет для каждой кривой свой математический минимум при определённом Ж.

дN

Взяв в (10) частную производную ---- и приравняв её к нулю, найдём, что

дЖ

минимуму норматива технических потерь электроэнергии N соответствует годовое потребление Ж , определяемое следующим выражением:

Жоп, =,|--------------------------------------------------------Д'

А+С - 2А-С + А - С

где А, В, С — постоянные коэффициенты, сильно зависящие от параметров ВЛ-10, ВЛ-0,4 кВ, паспортных данных и количества распределительных трансформаторов, коэффициента мощности, а также времени использования максимума нагрузки и времени потерь:

кф2 ‘ г0 ‘ ^ т • АРк

- п

А =--------*-------------+-----~ “ к-"о;' - ;

8760000 • (со«ф)2 •и2 (со«ф)2 • £н2 -Гнб2

В = 8760-АРх • п ;

0,000001226-кф2 - ЬЕ

С = ~---------5---ф-------.

(со«ф) - NF - —

Таким образом, Жопт является функцией целого ряда параметров системы электроснабжения:

^опт = ^

Изменяя эти параметры исходя из динамики объёма выпускаемой данным предприятием продукции и потребляемой электроэнергией, можно добиться “настройки” (10) на минимальное значение N % рис. 3, 4. Пусть, например, промышленное предприятие ежегодно потребляет 1000000 кВт. ч электроэнергии (точка А, кривая 1 на рис. 3) при его определённой производственной загрузке. Это соответствует относительным потерям электроэнергии АЖ/Ж»11%. Изменив число параллельно включённых ВЛ или КЛ 0,4 кВ с одной до шести, можно “перейти” на кривую 6 в точку В и добиться снижения относительных потерь электроэнергии до значения »5%. Либо путём внедрения новых энергосберегающих технологий в производственный процесс, при том же составе работающего оборудования, можно снизить общее энергопотребление на предприятии, и по кривой 1 “перейти” в точку С, соответствующую минимуму относительных потерь электроэнергии. Одновременно изменяются принципы нормирования потерь электроэнергии: норматив потерь определяется не как некоторая усреднённая постоянная величина, а как характеристика, зависящая от количества отпущенной

электроэнергии, плотности работающего оборудования. йУУНУ

заполнения графика нагрузки

состава

И', кВт.ч

Рис. 3. Влияние количества отходящих линий 0,4 кВ на значение оптимальных относительных потерь электроэнергии в системе энергоснабжения 10/0,4 кВ

Рис. 4. Влияние комбинированных

мероприятий по реконструкции сетей 10/0,4 кВ на значение относительных потерь электроэнергии

и

Исходя из результатов проведенного исследования, можно наметить ряд мероприятий, обеспечивающих снижение относительных технических потерь электроэнергии в рассмотренных сетях систем электроснабжения:

Мероприятия по реконструкции электрических сетей:

- разукрупнение подстанций, ввод дополнительных ВЛ и трансформаторов для разгрузки перегруженных участков сети, перемещение трансформаторов с одних подстанций на другие с целью нормализации их загрузки, ввод дополнительных коммутационных аппаратов;

- ввод технических средств регулирования напряжения (применение компенсирующих устройств, трансформаторов с продольно-поперечным регулированием, трансформаторов с Р.П.Н., вольтодобавочных трансформаторов) при наличии соответствующего технико-экономического обоснования.

Мероприятия по совершенствованию управления режимами электрических сетей:

- проведение переключений в рабочей схеме сети, обеспечивающих снижение потерь электроэнергии за счёт перераспределения потоков между элементами;

- осуществление регулирования напряжения в центрах питания радиальных сетей 6-110 кВ, обеспечивающего минимальные потери электроэнергии при допустимых отклонениях напряжения у потребителей;

- отключение в режимах малых нагрузок одного из трансформаторов на подстанциях с двумя и более трансформаторами;

- выравнивание нагрузок фаз в сетях 0,4 кВ.

Выводы

1. Нормативы технических потерь электроэнергии, рассчитанные по схемам сетей и по нормативам ФСТ, различны.

2. Значения относительных технических потерь электроэнергии зависят не только от суммарного отпуска электроэнергии потребителям, но также и от целого ряда параметров режима и параметров системы электроснабжения.

3. Оптимальное значение суммарного отпуска электроэнергии (соответствующее минимуму относительных технических потерь электроэнергии) может быть достигнуто путём регулирования суммарного потребления электроэнергии в соответствии с производственной нагрузкой предприятия, а также путём изменения параметров режима и параметров системы электроснабжения.

Summary

In this work main concepts and definitions connected with electricity losses in the network of electric supply systems are adduced. We consider the dependence of relative electricity losses in the electric-distribution systems on consumed electrical power and features of the relative supply system. The measures of the relative electricity losses minimization are offered.

Литература

1. Положение ”Об организации в министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь электроэнергии при её передаче по электрическим сетям”.

2. Блок В.М. “Электрические сети и системы”: Учебное пособие для студентов электроэнергетических специальностей вузов.- М.: “Высшая школа”, 1986.- 430 c.

3. Железко Ю.С., Артемьев А.В. Савченко О.В. Расчёт, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях.- М.:“Издательство НЦ ЭНАС”, 2005.- 277 с.

Поступила 16.05.2006