СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,4 КВ
ARRANGEMENT METHOD OF CAPACITOR DEVICES IN 0,4 KV RURAL DISTRIBUTION NETWORKS

Способ размещения конденсаторных устройств относится к электроэнергетике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности в сельских распределительных сетях 0,4 кВ.
В России в настоящее время низковольтные конденсаторные устройства в сетях 0,4 кВ устанавливают только промышленные предприятия. Считается, что из-за относительно коротких фидеров и небольшой присоединенной мощности компенсация реактивной мощности и фильтрация высших гармоник в сетях 0,4 кВ экономически невыгодны. Интенсивный рост потребления электроэнергии в жилищном секторе и значительная несимметрия однофазных потребителей приводит к резкому уменьшению качества электрической энергии непосредственно у потребителей. В связи с этим за последние годы резко выросло число потребителей электроэнергии жилищного сектора, понесших экономический ущерб, вследствие поставки электрической энергии, не соответствующей нормам качества. Встает вопрос о необходимости повышения качества электрической энергии у коммунально-бытовых потребителей, что эффективнее всего сделать, установив конденсаторные устройства (КУ). К тому же проведенные ранее расчеты показали, что около 70% всей мощности компенсирующих устройств, которые необходимо установить в электрических сетях России, целесообразно устанавливать в сетях 0,4 кВ, 25% - в сетях 6-10 кВ и около 5% - в сетях 110 кВ и выше. Такое распределение обеспечит минимум суммарных затрат на компенсирующие установки и на потери электроэнергии во всех сетях в целом. Устанавливать конденсаторные установки целесообразно в глубине сети 0,4 кВ, особенно в случае воздушных линий (ВЛ) 0,4 кВ. Здесь может оказаться достаточной небольшая мощность установки (в зарубежных странах используются конденсаторы наружной установки на опорах ВЛ). Такие устройства могут быть установлены в линиях с неоднородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных близко к центру питания, или линиях с однородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных в зоне последнего ответвления. Напряжение в линиях с неоднородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных близко к центру питания, повышается. [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].
Отличительными особенностями сетей 0,4 кВ являются: неодинаковость нагрузок фаз вследствие наличия двухфазных и однофазных ответвлений от магистрали. Большинство нагрузок в этих сетях однофазные, подключенные между фазным и нулевым проводами на напряжение 0,23 кВ. При этом не всегда удается присоединить нагрузки к трехфазной сети равномерно между фазами. Кроме того, включение и отключение абонентами происходит независимо друг от друга.
Для обеспечения экономического эффекта производят расчет оптимальной мощности и мест установки КУ. Поскольку сети 0,4 кВ имеют сложную структуру с множеством узлов ее можно считать сложной сетью. В такой сети трудно определить оптимальную мощность КУ в каждом узле, рассматривая его отдельно. Изменение потока реактивной мощности на каждом участке сети определяется КУ, установленными во всех ее узлах. Установка КУ в одном узле изменяет показатели эффективности их установки в других узлах. В этом случае ставится задача определения оптимального сочетания мощности и мест установки КУ, обеспечивающих минимум суммарных затрат. Такое решение должно также обеспечивать допустимые уровни напряжений в узлах. Последние обычно задаются ограничениями в форме неравенств [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].
Расчет эффективного места установки конденсаторных устройств для сетей напряжением выше 0,4 кВ обычно выполняют градиентными методами оптимизации, реализующими итерационные алгоритмы постепенного приближения к оптимальному решению [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.]. Для определения направления движения к минимуму рассчитывают частные производные суммарных затрат (целевой функции) по мощности КУ в каждом узле. Физически они представляют собой удельные парциальные снижения суммарных затрат, руб./кварт. в год, при установке единичной мощности КУ в различных узлах. Далее малую мощность КУ (порцию КУ) распределяют между узлами пропорционально значениям производных. Очевидно, что при таком распределении большая часть порции КУ попадет в узлы с большими значениями производных, так как снижение реактивной мощности в этих узлах наиболее сильно снижает суммарные затраты. При новых значениях реактивной мощности в узлах вновь определяют частные производные, которые будут иметь меньшие значения, чем на предыдущем шаге. Следующую порцию суммарной мощности КУ распределяют между узлами пропорционально новым значениям производных и т.д. На каждом шаге оптимизации рассчитывают установившийся режим сети и проверяют соблюдение условия по допустимым уровням напряжения в узлах. При изменившихся через несколько итераций реактивных нагрузках узлов некоторые производные могут стать отрицательными, что говорит о завышенной мощности КУ, определенной для этих узлов на предыдущих итерациях. При распределении новой порции КУ в эти узлы будет добавляться отрицательная порция мощности КУ и мощность КУ в них снизится, а в узлах с положительными значениями производных продолжит увеличиваться. Расчет заканчивается, когда производные в узлах с накопившейся мощностью КУ становятся близкими к нулю, что говорит о том, что дальнейшее увеличение или уменьшение мощности КУ приведет только к увеличению суммарных затрат.
Градиентные методы расчетов имеют следующие недостатки: большую трудоемкость расчетов; не обеспечивают необходимый результат, поскольку не всегда проверяются условия по допустимым уровням напряжения в узлах, имеют большую зависимость от измеренных и полученных данных о структуре сети. Большое число линий 0,4 кВ, трудоемкость введения в программы информации об их схемах, отсутствие достоверных данных о нагрузках затрудняют проведение такого расчета для всех линий, находящихся на балансе подразделения.
Техническим результатом предложенного решения являются обеспечение напряжения у потребителей на допустимом уровне, компенсация реактивной мощности непосредственно у ее потребителя и упрощение расчетов мест размещения конденсаторных устройств.
Для достижения технического результата размещать конденсаторные устройства в сельских распределительных сетях 0,4 кВ необходимо на магистральной линии и на отпайках в узлах, где не выполняется условие по допустимым уровням напряжения, определенных согласно выражению, содержащему обобщенные данные о схемах линий: коэффициент заполнения графика нагрузки, коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузок по длине линии и неодинаковость нагрузок фаз; измеренных данных: отпуск электроэнергии, доля энергии, потребляемой непосредственно с шин, суммарная длина двухфазных и трехфазных ответвлений, длина однофазных ответвлений, доля распределенных нагрузок (бытовых абонентов) в отпуске электроэнергии в линию, коэффициент реактивной мощности, сопротивления нулевого и фазного проводов, фазные токи, измеренные на шинах ТП, сечение провода.
Конденсаторные устройства предлагается размещать в распределительных сетях 0,4 кВ с целью обеспечения допустимого уровня напряжения у бытовых потребителей и уменьшения потерь электроэнергии у ее поставщика. Предлагаемый способ размещения конденсаторных устройств основан на обобщенных данных о схемах линий и известных данных исследуемой сети [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].
Потери электроэнергии в линии 0,4 кВ можно определить по формуле:
э
н
нн
где ΔU% - потери напряжения на всей линии, k/ - коэффициент, характеризующий соотношение относительных потерь электроэнергии и относительных потерь напряжения; k - коэффициент, учитывающий влияние на потери неодинаковости нагрузок фаз [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].
p
0
0
З
d - доля распределенных нагрузок (бытовых абонентов) в отпуске электроэнергии в линию, x, r - реактивное и активное сопротивление провода линии, k - коэффициент заполнения графика нагрузки.
N
Φ
A
B
C
где R, R - сопротивления нулевого и фазного проводов, I, I, I - фазные токи, измеренные на шинах ТП (трансформаторной подстанции).
n
Таким образом, согласно выражению (1) если известны: W - отпуск электроэнергии за Д дней, доля энергии, потребляемой непосредственно с шин («беспотерьное потребление») - d, суммарная длина линии L, то можно определить предполагаемые потери напряжения в рассматриваемой линии следующим образом:
где длина линии определяется по формуле [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.]:
М
2-3
1
здесь L - длина магистрали, L - суммарная длина двухфазных и трехфазных ответвлений, L - длина однофазных ответвлений.
Согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) суммарные потери напряжения в линии 0,4 кВ не должны превышать некоторого значения, обозначим это значение ΔU%, тогда выражение (4) можно ограничить снизу:
Из неравенства (6) и выражения (5) следует:
Учитывая выражение (5), получим окончательное выражение:
Таким образом, из неравенства (8) можно получить предполагаемое значение длины магистрального провода, на которой падение напряжения будет не соответствовать предельно допустимым значениям.
М
После расчетов по формуле (8) необходимо замерить суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) в узле магистрали, соответствующему полученному значению L, относительно ТП. Если в данном узле магистрали суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности не удовлетворяют предельно допустимым значениям, то в данном узле необходимо установить конденсаторную установку. После установки КУ и в случае, если действительные суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности в предполагаемом узле магистральной линии удовлетворяют предельно допустимым значениям, а потери напряжения и коэффициент реактивной мощности у бытовых потребителей не отвечает предельно допустимым значениям, место установки конденсаторной установки определяется согласно выражению:
2-3
М
2-3
где L - определяемая с помощью (9) величина, L - фактическое значение длины магистрали. После расчетов по формуле (9) необходимо замерить суммарные потери напряжения ΔU% относительно ТП и коэффициент реактивной мощности согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) в узле, соответствующем полученному значению длины двухфазных и трехфазных ответвлений L от магистрали. Если измеренные значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности не удовлетворяют предельно допустимым значениям, то в данном узле устанавливается КУ. Иначе, и если после установки КУ значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности не отвечают предельно допустимым значениям у бытовых потребителей в линии, КУ устанавливается в самой удаленной от ТП отпайке от магистральной линии.
При размещении конденсаторных устройств предложенным способом повысится качество электрической энергии у бытовых потребителей; уменьшится загрузка элементов, снизятся нагрузочные (продольные) потери активной мощности и потери напряжения в элементах в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки; уменьшатся потери электроэнергии в сети.