Содержание к диссертации
Введение
1 Аналитический обзор существующих методов расчета и снижения энергетических и потенциальных потерь 14
1.1 Определение потерь электроэнергии в сетях напряжением 0,4 кВ по методике АО «Роскоммунэнерго» и ЗАО «Мособлэнерго» 16
1.2 Определение потерь электроэнергии в сетях по методике расчета НИиПИГП «Белэнергосетьпроект»-«SLAMO» 19
1.3 Определение потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям по методике Минпромэнерго 24
1.4 Определение потерь электроэнергии с помощью матрично-топологического расчета сети 32
1.5 Мероприятия по снижению потерь в сети 0,4 кВ 39
1.6 Цель работы и задачи исследования 43
2 Анализ трехфазной электрической сети как объекта исследования по основным показателям качества и количества передаваемой энергии 45
2.1 Классификация потерь энергии, мощности и напряжения в трехфазных электрических сетях 45
2.2 Выбор переменных в уравнениях состояния Кирхгофа и Джоуля -Ленца трехфазной электрической цепи для отражения потерь мощности и напряжения 51
2.3 Преимущества дисперсионного метода анализа и учета потерь энергии в электрических сетях 60
2.4 Потери мощности, вызванные токами прямой, нулевой и обратной последовательностей в линии с сосредоточенной нагрузкой 66
2.5 Потери мощности, вызванные токами прямой, нулевой и обратной последовательной в линии с равномерно распределенной нагрузкой 68
2.6 Потери мощности, вызванные токами гармонических составляющих в линии с равномерно распределенной и сосредоточенной нагрузкой .72
2.7 Инженерная методика расчета потерь мощности в распределительной сети 0,4 кВ на основе дисперсионного анализа 74
2.8 Выводы по главе 78
3 Экспериментальные исследования основных характеристик энергопотенциальных потерь в электрической сети 0,4 кВ 79
3.1 Цель проводимого эксперимента и его идеология 79
3.2 Структура и показатели приборного обеспечения 81
3.3 Параметры исследуемой сети 0,4 кВ 85
3.4 Эквивалентные электрические схемы сети 0,4 кВ для токов различных последовательностей 88
3.5 Расчет потерь электроэнергии в проводниках сети на основе эквивалентной электрической схемы 90
3.6 Выводы по главе 99
4 Методы уменьшения потерь с одновременным улучшением качества электроэнергии 100
4.1 Методы улучшения качества напряжения у проблемных потребителей 101
4.2 Применение вольтодобавочного автотрансформатора для уменьшения потерь электрической энергии в сети 0,4 кВ 109
4.3 Изменение потерь электроэнергии при использовании вольтодобавочного автотрансформатора 113
4.4 Применение дополнительной линии для улучшения качества электроэнергии и уменьшения потерь 123
4.5 Уменьшение потерь электроэнергии за счет замены недогруженных силовых трансформаторов 10/0,4 кВ 128
4.6 Экономический эффект при использовании вольтодобавочного автотрансформатора в нормальном режиме сети 0,4 кВ 132
4.7 Выводы по главе 140
Общие выводы 141
Список литературы
- Определение потерь электроэнергии в сетях по методике расчета НИиПИГП «Белэнергосетьпроект»-«SLAMO»
- Выбор переменных в уравнениях состояния Кирхгофа и Джоуля -Ленца трехфазной электрической цепи для отражения потерь мощности и напряжения
- Эквивалентные электрические схемы сети 0,4 кВ для токов различных последовательностей
- Применение вольтодобавочного автотрансформатора для уменьшения потерь электрической энергии в сети 0,4 кВ
Введение к работе
Одна из главных целей теоретического исследования в любой области знания состоит в том, чтобы найти точку зрения, с которой предмет представляется наиболее простым.
Д.У.Гиббс(1839-1903)
Сельские электрические сети отличаются большой протяженностью при сравнительно малой передаваемой мощности. Поэтому стоимость электрических сетей на единицу передаваемой мощности в сельском хозяйстве выше, чем в других отраслях [10]. В сельских электрических сетях расходуют подавляющее количество проводникового материала от всего потребления этого материала в сельских электроустановках. Широкое развитие электрификации сельского хозяйства непрерывно повышает потребление электроэнергии. Рост нагрузок наряду с протяженными слабыми сетями создает все больше проблем с качеством электроэнергии при современных требованиях [23] и с потерями электроэнергии.
Потери электроэнергии - один из важнейших экономических показателей электросетевого предприятия. Их величина отражает техническое состояние и уровень эксплуатации всех передаточных устройств, состояние систем учета и метрологическое обеспечение парка измерительных приборов, эффективность энергосбытовой деятельности.
При изменении хозяйственного механизма электроэнергетической отрасли проблема снижения потерь электроэнергии в электрических сетях не только не утратила свою актуальность, а стала одной из основных задач обеспечения финансовой стабильности энергоснабжающих организаций. Сегодня фактический уровень потерь электроэнергии в энергосистемах по сравнению с 90 годами прошлого века вырос в 1,5, а по отдельным электросетевым предприятиям — даже в 2 и более раз. Причины подобного роста находятся в ухудшении уровня эксплуатации электрических сетей, отмене обязательных требований по
компенсации потребляемой реактивной мощности, увеличение доли коммерческой составляющей из-за роста цены электрической энергии и др.
В районах с малоэтажной застройкой наружные электрические сети 0,4 кВ выполняются радиальными воздушными линиями, а вводы в дома - однофазными. Нередко к трехфазным магистральны линиям здесь присоединяются однофазные и двухфазные ответвления для питания нескольких малоэтажных зданий или небольших улиц и переулков, что особенно характерно для электрификации сельской местности [47].
Различие нагрузок отдельных фаз сети объясняется следующими причинами:
случайной несимметрией нагрузок (вероятностной)
систематической несимметрией нагрузок, неравномерным присоединением однофазных электроприемников потребителей к сети.
При увеличении мощности и количества однофазных бытовых электроприемников связанных с повышением уровня электрификации (электроотопление, электрические плиты и др.) относительная величина тока в нулевом проводе увеличивается, причем это должно неуклонно прогрессировать в будущем.
Наличие случайной и систематической несимметрии нагрузки сети приводит к возникновению дополнительных потерь напряжения и мощности (следовательно и энергии), снижению пропускной способности трансформатора и линии, что существенным образом влияет или минимизации. Поскольку разработка устройств снижения потерь увеличивает капитальные затраты, а дополнительные потери напряжения и мощности связаны с народнохозяйственным ущербом, то условие экономичности работы сети 0,4 кВ можно представить как минимум расчетных (или приведенных) затрат.
По опубликованным данным потери электрической энергии в электрических сетях 0,4кВ составляют до 33%, а с учетом потерь в трансформаторах 10/0,4кВ потребительских подстанций достигают 50% общих сетевых потерь.
Предлагаемая диссертационная работа посвящена рассмотрению вопросов обеспечения требуемого качества электроэнергии и соответствующего
7 снижения дополнительных потерь энергии, обусловленных неэффективным режимом.
Один из ведущих специалистов ВНИИЭ д.т.н. Ю.С.Железко сделал вывод о том, что потери энергии в разветвленной электрической линии по существу представляет собой неопределенные величины и наиболее правильная их оценка заключается в установлении интервала неопределенности, т.е. - максимального и минимального значений этих потерь. [27,28]
Показатели потенциальных потерь (качества напряжения) электрических сетей общего назначения нормируются юридическими документами в большинстве стран мира, в том числе и России - ГОСТом 13109-97 [23]. И как показывает зарубежная и отечественная практика выполнение подобных норм в большинстве случаев невозможно без компенсации реактивной мощности (КРМ) и адекватных ей процессов симметрирования и уравновешивания нагрузок электрических сетей. Устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) сетевых трансформаторов способствуют решению этой задачи только в сетях со стабильной нединамичной нагрузкой, поскольку имеют относительно большую постоянную времени отработки возмущений.
Многие технические вопросы снижения потенциальных и энергетических потерь были рассмотрены и решены уже на заре развития электрических сетей основоположниками электротехники М.О.Доливо-Добровольским (на базе синхронной машины )[72], П.Ф.Бушеро (на базе конденсаторной батареи) [72], Ч.П.Штейнмецем на базе индуктивно-емкостного устройства - "схемы Штейнмеца"(«треугольник» - для компенсации тока обратной последовательности, «звезда» - для компенсации тока нулевой последовательности).
На протяжении последних 40 лет в СССР и России были созданы научные школы занимающиеся разработкой проблемы качества электрической энергии, одной из составляющих которой является и исследуемая нами проблема. Большой вклад в разрешение указанной проблемы внесён ведущими учёными МЭИ - профессорами Вениковым В.А., Мельниковым Н.А., Жуковым
8 Л.А., Демирчаном К.С., Жарковым Ф.П., Лабунцовым В.А., Карташёвым И.И., Чаплыгиным Е.Е. и др.
Большой опыт по разработке и внедрению организационно-технических мероприятий по снижению энергопотенциальных потерь в электрических сетях накоплен в научной школе ВНИИЭ, где работает группа ведущих специалистов-электроэнергетиков: Железко Ю.С., Воротницкий В.Э., Кочкин В.И., Джус И.И., Мишта В.В., Тимофеев В.Д., и др.
Исследования и разработки для наиболее "слабых" электрических сетей сельскохозяйственного назначения, где компенсация негативных составляющих тока по данным отечественных и зарубежных учёных [10,11,12,50-53,57] наиболее эффективна как с технических, так и экономических позиций, возглавляются ведущими учёными Московского госагроуниверситета проф. Левиным М.С., Лещинской Т.Б.; ВИЭСХа-Мурадяном А.Е.,Мельником В.Т.;Санкт-Петербургского госагроуниверситета - Косоуховым Ф.Д.
Интенсивны исследования по данной тематике и в странах СНГ.В первую очередь следует выделить результаты, полученные в Институте Электродинамики АН Украины [58] такими учёными, как - академик Шидловский А.К., Кузнецов В.Г., Мостовяк И.В., Новский В.П.; - в Львовском политехническом институте под руководством проф. Жураховского А.В.; - в Запорожском ВНИИ "Преобразователь" под руководством проф. Пономарёва В.А.
Широким фронтом ведутся исследования и разработки по снижению энергопотенциальных потерь в распределительных сетях в наиболее развитых странах мира [87,108,109]. Достаточно упомянуть, что их внедрением в практику занимаются ведущие электротехнические фирмы "General Electric", "West-inghouse Electric Corporation", "Siemens", "Ansaldo","Nokia","ABB", "Mitsubishi Denki".
Несмотря на актуальность и значительный технический опыт систем стабилизации напряжения сети с целью снижения энергопотенциальных потерь, сложные вопросы их теории, в частности,- закономерности возникновения дополнительных потерь энергии в проводниках линий сети как с сосредото-
9 ченными, так и распределенными нагрузками, возможность их разделения на аддитивные составляющие (с целью упрощения и повышения наглядности анализа потерь и соответствующих методик их расчета) выбор установленной мощности энергосберегающего оборудования по критерию минимизации энергопотенциальных потерь рассмотрены с различной полнотой в относительно немногочисленных публикациях [94,98,107,108].
Практика подтверждает значительные погрешности известных методик анализа и расчета дополнительных потерь энергии, на что особое внимание обращается в работах [ 34,36 ].
Полный анализ основных уравнений сети, описывающих процессы возникновения и развития дополнительных энергопотенциальных потерь достаточно трудная, очень объёмная задача [35]. Актуальным для настоящего времени этапом её решения, по-видимому, можно считать разработку относительно простых инженерных методик, позволяющих, во-первых, выявить основные закономерности возникновения и количественной оценки этих потерь; во-вторых, разделить их на простые аддитивные составляющие, чтобы, следуя основным правилам анализа, иметь наглядную и простую инженерную проверяемость результатов, как промежуточных, так и конечных, и, в-третьих, дать рекомендации по их устранению с заданной точностью как организационными, так и техническими мерами различной степени сложности и стоимости. Научная проблема
Таким образом существует научная проблема, с позиции теории - противоречивость как качественной, так и количественной оценки дополнительных энергопотенциальных потерь в сети, с позиции практики - высокий уровень энергетических потерь в сети, вызванных неуравновешенностью и неравномерностью процесса передачи энергии к потребителям, и недопустимо высокий, согласно стандарту на качество напряжения и нормам электромагнитной совместимости электроприемников потребителей с сетью, уровень потенциальных потерь, приводящий либо к временной утрате работоспособности, либо к
10 ускоренному выходу электроприемников из строя, либо к резкому возрастанию непроизводительного расхода энергии в электроприемниках. Научная гипотеза Так как квадратичные формы функций составляющих токов математически и физически адекватно отражают целевую функцию энергетических потерь, то необходимо доказать возможность разложения дополнительных энергетических потерь в сети 0,4 кВ на аддитивные составляющие в форме дисперсий, используя свойство аддитивности квадратичных форм симметричных составляющих Фортескью и гармонических составляющих Фурье токов трехфазной сети (поскольку все слагаемые этих составляющих функционально ортогональны). Цель исследования
Уменьшить потери электроэнергии в нормальных режимах электрических сетей сельских населенных пунктов за счет рационального выбора необходимого и достаточного количества расчетных показателей режима, их структурного и функционального анализа адаптированным дисперсионным методом. Развить инженерную методику расчета потерь и предложить способы уменьшения энергопотенциальных потерь простыми техническими мерами.
В соответствии с поставленной целью ставятся следующие основные задачи исследования:
Представить объекты и методы исследования в единой форме ортогональных и симметричных составляющих токов сети, чтобы использовать для анализа и последующей минимизации энергопотенциальных потерь дисперсионный метод статистической теории электрических цепей.
Установить взаимосвязь между квадратичными формами симметричных составляющих и фазными токами сети, чтобы в расчетах применять результаты, непосредственно получаемые на практике специализированными приборами.
Выявить структурные и параметрические закономерности возникновения энергопотенциальных потерь в сети 0,4 кВ на тупиковых и транзитных линиях с сосредоточенными и распределенными нагрузками от действия адди-
тивных ортогональных, симметричных и гармонических составляющих и разработать инженерную методику расчета величины потерь и их структуры .
4 Разработать и испытать экономически рациональные технические устройства для уменьшения потерь электроэнергии, соответствующие реальным возможностям применения в электрических сетях сельских населенных пунктов.
Объект исследования
Электрическая распределительная сеть с линиями 0,4 кВ, имеющими электрическую нагрузку характерную для потребителей сельских населенных пунктов, и технические устройства необходимые для снижения потерь энергии в сети и улучшения её качества.
Предмет исследования
Закономерности учета изменения токов прямой, обратной и нулевой последовательностей при расчете потерь мощности в линии 0,4 кВ и способы улучшения качества электроэнергии и уменьшения потерь в нормальных режимах работы сети сельского электроснабжения с помощью дополнительных технических устройств в схеме сети.
Методы исследований.
В работе использованы методы и приемы статистического анализа, дисперсионный метод теории электрических цепей, метод гармонического анализа Фурье, метод симметричных составляющих Фортескью, матрично-топологический и аналитический методы расчета электрических цепей.
Научная новизна
доказана гипотеза целесообразности разложения дополнительных энергетических потерь в линиях 0,4 кВ на аддитивные составляющие в форме дисперсий с использованием свойств аддитивности квадратичных форм симметричных составляющих Фортескью и гармонических составляющих Фурье;
получены зависимости для расчета вероятностных составляющих токов обратной и нулевой последовательности в линиях 0,4 кВ сельских населенных пунктов;
12 разработана инженерная методики расчета потерь электроэнергии на
основе дисперсионного анализа различных составляющих токов фаз линий
0,4 кВ.
Практическая ценность работы
разработана методика инженерного расчета потерь электроэнергии на основе дисперсионного анализа составляющих токов фаз линий 0,4 кВ;
разработана методика расчета параметров вольтодобавочных автотрансформаторов 0,4 кВ для повышения качества электроэнергии у удаленных потребителей;
рассчитаны и внедрены в эксплуатацию вольтодобавочные автотрансформаторы, позволяющие уменьшить технологические потери электроэнергии и повысить качество электроэнергии у удаленных потребителей.
На защиту выносятся следующие положения:
Разложение дополнительных энергетические потерь в сети на аддитивные составляющие в форме дисперсий с использованием свойств аддитивности квадратичных форм симметричных составляющих Фортескью и гармонических составляющих Фурье;
Методика определения потерь электроэнергии на основе дисперсионного анализа симметричных составляющих токов фаз линий 0,4 кВ;
Определение областей эффективного применения вольтодобавочных трансформаторов и дополнительных линий, выполненных СИП, для уменьшения потерь энергии в сети 0,4 кВ линий сельских сетей до заданных значений.
Реализация результатов работы
разработанные вольтодобавочные автотрансформаторы используются в Тимашевских и Усть-Лабинских сетях электрических сетях Краснодарского края;
разработанный способ улучшения качества электроэнергии с помощью дополнительной линии 0,4 кВ, выполненной СИП, реализован в электрических сетях Западного округа г.Краснодара;
- методика расчета потерь принята к использованию в Краснодарском отделе проектного института «Гипрокоммунэнерго».
Апробация работы
Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях КубГАУ (2003-2005 г.г.), на всероссийском семинаре - Кибернетика электрических систем «Диагностика энергооборудования» ( ЮРГТУ, Новочеркасск 2002-2006), на 3-й межвузовской научной конференции «ЭМПЭ-04»КВАИ,КГАУ,КГТУ(Краснодар,2004г.), на Международной научно-практической конференции КубГТУ « Электроэнергетические комплексы и системы» (2006, 2007 гг.)
Публикация результатов работы
По результатам проведенных исследований имеется 16 публикаций, в том числе авторское свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации
Диссертация включает: введение, четыре главы, заключение, список литературы и приложения. Работа изложена на 176 страницах, включая 29 рисунков, 15 таблиц, библиографический список из 109 наименований и 22 страницы приложений.
Определение потерь электроэнергии в сетях по методике расчета НИиПИГП «Белэнергосетьпроект»-«SLAMO»
Методика и разработанная на ее основе специализированная прикладная программа «SLAMO» дают возможность расчета норматива технических потерь в распределительной (разомкнутой) сети. Расчет может производиться для электросетевых подразделений любого иерархического уровня (энергосистема, электрические сети, РЭС) за любой расчетный период при различном уровне информационной обеспеченности, но степень точности расчета зависит от объема (полноты) исходных данных.
В основе методики лежит ряд схемотехнических методов, то есть расчет потерь в элементах сети (линиях и трансформаторах) производится на основе вводимых пользователем, либо рассчитываемых программой, собственных или групповых сопротивлений элементов сети, а также индивидуальных или групповых потоков энергии и мощности за расчетный период.
Нагрузочные потери в любой ветви с сопротивлением Ry определяются по формуле: A, (Wa WP\D[p]+D[Q] \ U2cp Тр , (1.15) где: AW- нагрузочные потери в ветви; Rv - активное сопротивление ветви; Тр - расчетное время; Wa, Wp - соответственно потоки активной и реактивной энергии; Ucp - среднеэксплуатационный уровень напряжения; D[PJ, D[Q] - соответственно дисперсии активной и реактивной мощностей Формула (1.15) получена путем ряда тождественных преобразований известной формулы: AA = 3I2CKRVT , (1.16) где Іск - среднеквадратическое значение полного тока; Рассматривая ток как случайную величину, пользуясь известными положениями теории вероятностей, можно записать: lK=M2[I] + D[I]==M2[Ia] + M2[Ip] + D[Ia] + D[Ip] = = -4 (A2+W2+(D[P] + D[Q])r2) 3U2cpTv r где: M[I], D[IJ - математическое ожидание и дисперсия полного тока нагрузки; M[Ia],D[Ia],M[Ip],D[Ip] - соответственно математическое ожидание и дисперсия активной и реактивной составляющих тока нагрузки; D[P],D[Q] - соответственно дисперсии активной и реактивной мощностей, определяются по следующим формулам: (N2-N\)(Nl-N0)2 N]= N2 + m-2N0 U8 при X \ или „%n (N2-Nl)\N\-N0) = 2N2-NI-N0 . О"19) при A, 1, где N0,N1,N2 - соответственно минимальное, среднее и максимальное значения параметров графика по продолжительности активной и реактивной мощности; X - показатель формы графика потока мощности по продолжительности . N2-N1
Распределительные линии 0,4 кВ обычно представляют собой разветвленные древообразные схемы со значительно большим, по сравнению с линиями других ступеней номинального напряжения, количеством участков. Как правило, распределение нагрузки от точки питания к концевым участкам имеет для большинства линий 0,4 кВ сходный характер. Эти сведения позволяют сформировать адекватную модель линии 0,4 кВ для расчета потерь мощности и энергии в них.
Для вывода расчетной формулы для условной линии 0,4 кВ формируется последовательность из участков в порядке убывания их суммарной присоединенной мощности. Затем линия представляется в виде неразветвленной топологической схемы, где соблюдается тот же принцип, что и при формировании указанной последовательности участков - к точке питания такой модельной линии расположен ближе тот участок, у которого величина суммарной присоединенной мощности больше. Очевидно, что первым (ближайшим к точке питания) будет головной участок, за ним следуют участки, питающиеся от головного. Такую модель линии называют «потерьной моделью».
Геометрической интерпретацией «потерьной модели» служит объединение открытых отрезков (в геометрии - это отрезки, которым не принадлежат их границы), и каждый из которых символизирует собой участок, при этом длина отрезка равна длине участка (в масштабе).
Выбор переменных в уравнениях состояния Кирхгофа и Джоуля -Ленца трехфазной электрической цепи для отражения потерь мощности и напряжения
Выбор переменных в уравнениях состояния Кирхгофа и Джоуля-Ленца трехфазной электрической цепи для корректного отражения потерь мощности и напряжения.
Переход к более удобной системе координат с целью упрощения анализа и решения уравнений электрической цепи широко используется в электротехнике. Достаточно назвать систему координат симметричных со 52 ставляющих, предложенную Фортескью, преобразование Блонделя и переход к системам координат ротора или статора в теории синхронной машины [103,104], "шагающую систему координат" в теории полупроводниковых преобразователей [56], косоугольную систему координат "ABC" с осями направленными по векторам ЭДС симметричного генератора [8,56].
Координатные преобразования с помощью удачного выбора пространственно временных соотношений позволяют при замене переменных либо сократить их число, либо использовать переменные, наиболее полно отражающие физическую сущность исследуемых явлений, либо оперировать переменными, являющимися адекватными моделями показателей режима цепи, легко измеряемыми экспериментально. В электротехнике также принято оперировать переменными особой системы координат состоящей из 3-х независимых взаимосимметричных декартовых систем координат каждой фазы. Такую систему координат обычно называют "комбинированной", так как она представляет собой комбинацию двух систем координат - косоугольной "ABC" и - комплексной плоскости каждой фазы.
Комбинированная система координат была предложена для наглядности математического описания и исследования систем трехфазного тока Доливо-Добровольским [72], а ее составляющие для токов первоначально были названы: "рабочая"- совпадающая по фазе с напряжением, "ленивая" -сдвинутая по фазе от напряжения на 90 электрических градусов. В современных терминах, соответственно, - активная (синфазная), и реактивная (па-рафазная или квадратурная).
Установление функциональной связи между переменными систем координат позволяет выразить привычные в электротехнической практике величины действующих значений токов и модулей векторов их симметричных составляющих, наглядно отражающих физическую картину преобразования потоков энергии в трехфазной электрической сети (как известно не существует прямого метода и способа измерения последних) через ортогональные составляющие фазных токов, полностью отражающих состояния трех 53 фазной цепи и одновременно просто и точно измеряемых на практике прямым способом с помощью ваттметров и варметров. В свою очередь, такая связь способствует выявлению условий, которым должны удовлетворять переменные комбинированной системы координат при проведении измерений для энергетического обследования и минимизации действующего значения токов фаз сети с целю снижения потерь электроэнергии.
Важным вопросом с позиции достижения минимальной методической погрешности и экономии времени экспериментов по измерениям и последующего анализа результатов электроаудита данного участка сети является выбор показателей режима сети наиболее адекватно (корректно) отражающих не только количественную сторону проблемы потерь электроэнергии, но и наиболее важные причины, способствующие этим потерям, чтобы наиболее успешно провести соответствующие организационные и технические мероприятия. Что касается потерь напряжения, то наиболее адекватно их отражают переменные системы координат симметричных составляющих (КСС), поскольку достаточно только трех показателей для полной количественной оценки, в то время как переменных других систем координат потребуется, как минимум - шесть (три для «треугольника» и три для «звезды»). Что касается потерь мощности или электроэнергии, то в принципе возможны три варианта определения потерь электроэнергии в сети.
Первый - по разнице показаний высокоточных счетчиков электроэнергии, установленных на входных и выходных зажимах исследуемого участка электрической сети. Недостаток этого способа электроаудита очевиден - на практике не найти такого количества высокоточных, класса 0,5 счетчиков, да и полученный результат не позволит принять качественного оперативного решения по проведению первоочередных мероприятий, т.к. не будет известна наиболее важная причина потерь, которой может быть: несимметричная загрузка фаз (так называемый «перекос фаз»), значительный ток нейтрального проводника (в идеале он должен быть нулевым или хотя бы составлять не более 5% фазного тока), значительная несимметричная реактивная нагрузка сети или симметричная, но - с токами высших гармоник.
Второй - измерение (или регистрация) токов всех токонесущих проводников исследуемого участка сети с последующим анализом их квадратичных форм на основе классической формулы Джоуля - Ленца. Недостаток этого способа один - на практике очень сложно, по конструктивным соображениям, измерить ток нейтрального проводника (особенно это характерно именно для подстанций 10/ 0,4 кВ сельских электрических сетей).
Третий - прямые или косвенные измерения (или регистрация) необходимых показателей напряжения, токов и мощностей нагрузки специализированными сертифицированными приборами, которые согласно европейских и российских стандартов, в основном - ГОСТ 13109-97 [23], ориентированы на систему КСС. Потери энергии, как и во втором варианте, определяются косвенно, по полученным результатам.
Эквивалентные электрические схемы сети 0,4 кВ для токов различных последовательностей
Эквивалентная электрическая схема сети 0,4 кВ для токов прямой последовательности На рисунке 3.3 представлена эквивалентная электрическая схема для токов прямой последовательности рассматриваемой сети 0,4кВ.
Силовой трансформатор эквивалентируется идеальным источником ЭДС, напряжение которого равно напряжению прямой последовательности (в зависимости от режима эта величина на практике меняется в пределах от 222В до 240В), с выходным сопротивлением ZT, активная и реактивная составляющие которого определены в п.3.3.1. Сопротивления Ъ\ и Ъ\\\ эквивалентируют кабельную линию (согласно п.3.3.11) и нагрузку, создаваемую электроприемниками жилого дома на 70 квартир. Сопротивления Ъг и ZH2 эквивалентируют кабельную линию (согласно п.3.3.12) и нагрузку, создаваемую электроприемниками жилого дома на 144 квартиры. Сопротивления Z3 и Zio эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.3) и нагрузку, создаваемую электроприемниками стройплощадки. Сопротивление Z4 эквивалентирует кабельную линию «Запад К»(согласно п.3.3.2). Сопротивления ZH4 эквивалентируют нагрузку, создаваемую электроприемниками трех частных домов по ул.Урицкого 7, 9, 11. Сопротивление Z5 эквивалентирует воздушную линию «Запад «(согласно п.3.3.4). Сопротивление ZH5 эквивалентирует нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по ул.Урицкого 15,17,19,21,23,25.25і. Сопротивления Ъь и Zn6 эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.5) и нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по ул.Алма-Атинской от Урицкого до Каляева.
Сопротивления Z7 и ZH7 эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.6) и нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по ул.Алма-Атинской от Урицкого до Смоленской. Сопротивление Z8 эквивалентирует воздушную линию (согласно п.3.3.7).
Сопротивления Zg и ZH9 эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.9) и нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по переулку Каляева Сопротивления Zio и ZHIO эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.8) и нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по ул. Урицкого 24,26,28,30,41,43,45,47. Сопротивления Zii и ZHH эквивалентируют воздушную линию (согласно п.3.3.10) и нагрузку, создаваемую электроприемниками частного сектора по ул. Калинина 176,178,178і, 180,182,184,186,186і и торговые точки «Ремонт обуви» и «Хлеб».
Эквивалентная электрическая схема сети 0,4кВ для токов нулевой последовательности Эквивалентная электрическая схема для токов нулевой последовательности аналогична схеме рисунка 3.3 по структуре, но вместо сопротивлений нагрузки ZNj, где і принимает значения от 1 до 11, следует включить идеальные источники тока моделирующие действие тока нейтрали соответствующей ветви; сопротивления Zj прямой последовательности заменить на сопротивления нулевой последовательности, в том числе и ZT; напряжение Е источника ЭДС следует приравнять нулю.
Предлагаемые эквивалентные схемы сети прямой (обратной) и нулевой последовательностей позволяют вести расчет потерь энергии в проводниках фаз сети не прямым расчетом по законам Кирхгофа, а по известным из эксперимента составляющим мощностей или токов фидеров, ответвлений или нагрузок, причем наглядно и целенаправленно относительно именно этих проводников.
Поскольку расчет потерь энергии вероятностный, ввиду отсутствия графиков нагрузки для всех элементов сети, то наиболее правдоподобными будут те вычисления, которые определяют интервал возможных потерь, как это и предлагалось Ю.С.Железко [26]. Поэтому рассмотрим и сравним две методики расчета нагрузочных потерь в сети с бытовыми и коммунальными нагрузками частного сектора пригорода Краснодара (что является адекватной моделью сельской сети населенного пункта) и полученные с их помощью результаты. Расчет проведем для исходных данных полученных на отрезке времени с 29 февраля по 1 июня 2002 года. За эти 93 суток электроприемники участка сети «быт-Запад» потребили по показаниям соответствующего трехфазного счетчика 122120 кВтч электроэнергии.
Расчет нагрузочных (технологических) потерь электроэнергии в электрических сетях 0,38 кВ нормативным методом (методика утверждена приказом Мин-промэнерго России).
Потери электроэнергии AW (в кВтч) в линии 0,38 кВ с сечением головного участка F мм2, отпуском энергии в линию W, за период Д дней, рассчитываются по формуле AW = KW2(l + tg2cp)L3! L, (3.1) где к = 10" (9,67 - 3,32d - 1,84 d ), где d - доля энергии, отпускаемой населению; Кз- коэффициент заполнения графика нагрузки; tg2cp - коэффициент реактивной мощности; L-r эквивалентная длина линии в метрах, определяемая по формуле U = LM + 0,44 L2.3 + 0,22L,, (3.2) где LM - длина магистрали; L2.3 - длина двухфазных и трехфазных ответвлений; Li -длина однофазных ответвлений.
Применение вольтодобавочного автотрансформатора для уменьшения потерь электрической энергии в сети 0,4 кВ
На рисунке 4.20 показаны величины суммарных потерь при изменении точки подключения дополнительной линии для случая равномерного распределения нагрузок вдоль основной линии. Рассмотрены 2 варианта величины сечения проводника дополнительной линии - сечение равно основной линии и сечение в 4 раза больше основной. Согласно рисунка 4.20, оптимальная по потерям точка для равномерно распределенной нагрузки находится на удалении 60-80% от начала основной.
Наиболее тяжелым режимом по величинам напряжения в конце основной линии является случай, когда величина подключенной нагрузки нарастает от начала линии к ее концу. При линейном законе нарастания нагрузки изменение суммарной мощности потерь дано на рисунке 4.21.
Результаты расчета, приведенные на рисунке 4.21 показывают, что оптимальная точка подключения дополнительной линии несколько смещается к концу основной линии, куда смещается и центр приложения суммарной нагруз 128 ки. Расчеты показывают, что смещение незначительное и величина сечения дополнительного провода практически не влияет на оптимальную точку присоединения.
Однако, суммарные затраты на проведение данного мероприятия можно записать следующим образом 3 = Ccm+CMOHm-AWnom, (4.44) где Ссип - стоимость провода дополнительной линии, зависящая от длины и сечения; Смонт - стоимость монтажных работ, зависящая в основном от длины дополнительной линии; AW - стоимость потерь электроэнергии за расчетный период. Очевидно, что с учетом затрат на прокладку дополнительной линии точка оптимального присоединения будет смещаться к началу основной линии. Поэтому в зависимости от стоимости дополнительной линии СИП и работ по монтажу точка оптимального присоединения будет находиться в пределах 50-70% длины основной линии.
Внедрение предлагаемого способа позволило улучшить качество напряжения у потребителей в конце линии и одновременно уменьшить потери в сети. Уменьшение потерь электроэнергии за счет замены недогруженных силовых трансформаторов 10/0,4 кВ
В сельской распределительной сети обычно имеется значительное количество силовых трансформаторов 10/0,4 кВ, которые работают сильно недогруженными. Коэффициент полезного действия силового трансформатора [И] , к32ЛРкз+ЛРхх ..... 71 = 1 5- ю хх , (4.45) J "ном cos p2+k3APK3+APxx где АРКЗ, АРХХ - параметры трансформатора с мощностью SH0M\ cosg 2 - коэффициент мощности нагрузки; 129 кз - коэффициент загрузки трансформатора, кз = У1Ном Известно, что к.п.д. трансформатора имеет максимум при такой нагрузке, когда электрические потери в обмотках равны потерям в стали. Оптимальное значение коэффициента загрузки для серийных силовых трансформаторов [9] k3i0nm = jAPa/AP„ 0,16 + 0,25 = 0,4 + 0,5.
В процессе работы нагрузка трансформатора непрерывно изменяется, поэтому потери электрической энергии за время работы Т рассчитываются с учетом постоянных потерь в стали и нагрузочных потерь в обмотках [19].
Если пренебречь затратами на перестановку трансформатора, то замена значительно недогруженного трансформатора на менее мощный может уменьшить потери энергии, если потери в стали меньшего трансформатора упадут сильнее, чем возрастут потери в его обмотках.
Пусть параметры более мощного силового трансформатора SH0M,6, АРКЗ,б , АРХХіб, а параметры меньшего трансформатора SH0MiM, АРКЗ,м АЛ , Напряжение, при котором работает трансформатор, относительно номинального U = ираб/иНом Тогда максимальная мощность, при которой требуется переходить на менее мощный силовой трансформатор определяется по выражению с _ имах (ЛР -ЛР иї ,APK3tM ЛРкзб г о2 Я2 Т ином,м ином,б
Величина т определяется по графику нагрузки силового трансформатора [ 19, 53, 56]. При условии, что активная и реактивная нагрузки трансформатора изменяются примерно одинаково, значение г определяется как ZsfAt t=o umax (4.47)
В [28] показано, что значение г можно определять через коэффициент заполнения графика нагрузки, предполагается, что точность такого определения наиболее высока. 130 т = Кз+2к2зТ. (4.48)
Ранее приближенную величину г определяли по эмпирической формуле проф. Залесского для графиков типовой формы [56] т = (0,124 + 0,876К3 )2 Т , (4.49) где К3 =Рср /Ртах - коэффициент заполнения графика нагрузки силового трансформатора.
Если в выражение для Smax подставить значения г , то получим расчетные формулы для нахождения границы разделения возможности применения трансформатора меньшей мощности с целью уменьшения потерь электроэнергии „ _ , 3(AP„tM-AP„fi)Uj дмах,1- \—Тр -Jp . V -M) \( - )(К3+2К2) ИЛИ мах,2 (AP„tM-AP„fi)Ul ЛР ЛР I (= - J )(0,124 + 0,876 К3 )2 НОМ,М ном,б (4.51)
Коэффициент заполнения графиков нагрузки ТП 10/0,4 кВ в основном находится в пределах 0,6-0,7. Если принять среднюю величину Кз = 0,65, то, например, для трансформатора мощностью SH0M =100 кВА величина максимальной мощности, при которой его следует заменять трансформатором мощностью SH0M = 63 кВ А, если напряжение равно 1,05 UH0M определиться как с 3 (0,22-0,365) 1,05 SMax.i= j?o ,07 =50 56 кВА ] ( -- )(0,65+ 2 0,652) Ї 632 1002 где SH0M,6 = 100 кВА, АРЮіб = 1,97 кВт, AP„i6 = 0,365 кВт, SIIOM,M = 63 кВА, АРКЗМ = 1,28 кВт, АР м = 0,22 кВт . Таким образом если максимальная нагрузка за период времени Т меньше чем 50,56 кВА, то трансформатор мощностью 100 кВА можно заменить
