В. Н. Казанцев. Методы расчета и пути снижения потерь энергии в электрических сетях. Учебное пособие. Свердловск, изд. УПИ им. С. М. Кирова, 1983.
Приведены основные причины потерь энергии в электрических сетях энергосистем. Изложены теоретические основы определения потерь энергии, включающие детерминированные и вероятностные алгоритмы и практические приемы, позволяющие рассчитывать интегральные характеристики по неполной информации. Описаны основные мероприятия по снижению потерь электроэнергии, используемые в энергосистемах СССР.
Уральский политехнический институт им. С. М. Кирова, 1983
ВВЕДЕНИЕ
Обеспечение надежного и экономичного снабжения народного хозяйства и населения электроэнергией заданного качества при наиболее эффективном использовании энергетических ресурсов потребовало дальнейшего развития энергообъединений и создания Единой энергетической системы СССР (ЕЭС СССР).
Создание ЕЭС СССР сопровождается ростом технологического расхода на передачу и распределение энергии как в электрических сетях энергосистем, так и в распределительных сетях потребителей, несмотря на применение в последнее десятилетие более крупного энергетического оборудования и линий электропередачи высокого и сверхвысокого напряжения, имеющих меньшие относительные потери. Роль снижения потерь в экономии топливных ресурсов непрерывно возрастает в связи с тем, что возможности экономии топлива на электрических станциях практически исчерпаны, а потери энергии в электрических сетях еще можно снижать как за счет оптимизации режима, так и за счет внедрения других экономически оправданных мероприятий [1].
Уровень потерь энергии в первую очередь определяется объемом капиталовложений в развитие электрической сети и постоянно изменяется при изменении схемы энергосистемы и ее режимов.
В течение последних десяти лет потери энергии в электрических сетях Минэнерго СССР поддерживаются на уровне 9% от энергии, отпущенной в сеть. Абсолютная величина потерь энергии достигла в 1981 г. 106,4 млрд. кВт-ч. Кроме того, существенную часть в общих потерях энергии составляют потери в сетях потребителей, достигающие 3—4%. Следовательно, общие потери в электрических сетях составляют 140—150 млрд. кВт-ч. Тенденция изменения потерь в электрических сетях Минэнерго СССР с 1963 г. показана на рис. 1.
Рис. 1. Изменение потерь энергии в электрических сетях:
1 — отпуск энергии в сеть; 2 — потери энергии, млрд. кВт-ч; 3 — потери энергии, %
Возрастание потерь энергии в электрических сетях определено действием объективных закономерностей в развитии энергетики в целом, основной из которых является тенденция к концентрации производства электроэнергии на крупных экономичных электростанциях, как тепловых, так и. гидравлических, с агрегатами 300—800 МВт и выше. Выбор площадок для станций определяется технико-экономическим обоснованием при учете наличия подходящих створов для ГЭС и месторождений энергетического топлива, влияния ГРЭС на окружающую среду, удаленности от основных потребителей и т.п. Это вызвало размещение ряда электростанций на больших расстояниях от центров потребления и привело к появлению протяженных, постоянно загруженных ЛЭП и дополнительной ступени напряжения.
Объективной причиной, вызывающей возрастание потерь, является также непрерывный рост нагрузок электрических сетей, связанный с естественным ростом потребительских нагрузок и отставанием темпов прироста пропускной способности сети от темпов прироста потребления электроэнергии и генерирующих мощностей.
Принцип создания ЕЭС СССР предопределяет развитие отдельных энергорайонов без собственных электростанций или снижение выработки на малоэкономичных устаревших электрических станциях, что вызывает передачу энергии в эти районы по протяженным ЛЭП и, следовательно, возрастание потерь энергии.
Удаление электростанций, являющихся одновременно основными источниками реактивной мощности, от потребителей привело также и к уменьшению напряжения в сети среднего напряжения и, как следствие, к дополнительным потерям.
Напряженность топливного баланса при наличии избытков некоторых видов топлива (экибастузский, канско-ачинский и подмосковные угли) при остром дефиците мазута и донецких углей вынуждает в наибольшей степени загружать станции, работающие на избыточных видах топлива. Это обстоятельство приводит к нерациональным перетокам мощности в сетях и, соответственно, дополнительным потерям энергии.
Существует ряд временно действующих факторов, определяющих высокий уровень потерь энергии в электрических сетях энергосистем, таких, как недостаточный объем сетевого строительства, недостаток мощности компенсирующих устройств, установленных у потребителей и в энергосистемах, недостаточность средств управления потоками активной и реактивной энергии и отсутствие на имеющихся регуляторах настройки по общесистемным критериям с целью совместного поддержания регулируемых параметров режима системы.
В то же время потери в электрических сетях непрерывно уменьшаются за счет постоянного усиления и реконструкции сети, изменения ее схемы, сокращения сроков ремонта оборудования (соответственно и времени существования неэкономичного ремонтного режима). Совершенствуется система учета электроэнергии, вводится более экономичное оборудование с уменьшенным расходом на собственные нужды и т. п.
Совместное действие тенденций, увеличивающих потери энергии, и факторов, уменьшающих потери, и определяет фактический уровень потерь энергии.
Представляют интерес данные по уровням относительных потерь в электрических сетях промышленно развитых капиталистических стран (табл. 1).
Детальный анализ факторов, определяющих уровень потерь для этих стран, показывает, что относительные потери несколько выше в странах с большими расстояниями от электростанций до потребителей (Канада, Швеция), ниже в странах с высокой степенью компенсации потоков реактивной мощности (США, Япония, ФРГ) и в ряде стран (Великобритания, Япония) величина относительных потерь ниже вследствие опережающего увеличения пропускной способности сети 400—500 кВ по сравнению с приростом нагрузок потребителей.
Таблица 1
Относительные потери электроэнергии, %
Для изучения тенденций изменяемости составляющих потерь в различных элементах сети, выделения «очагов» потерь и оценки целесообразности того или иного мероприятия выполняется анализ структуры потерь энергии. Относительные потери в различных энергосистемах в зависимости от схемы и назначения электрических сетей (транспортные, системообразующие, распределительные), уровня их загрузки, доли потребителей, получающих энергию на повышенном напряжении, составляют 4— 16% от энергии, поступающей в сеть (2). Так же в большом диапазоне изменяются и отдельные составляющие потерь. Структура потерь энергии в сетях Минэнерго анализировалась в 1973—1976 гг. различными исследователями и организациями, усредненные результаты исследований которых представлены в табл. 2.
Как следует из табл. 2, основная доля потерь (до 70%) приходится на распределительные сети 6—110 кВ. Сопоставляя структуру потерь энергии, полученную разными авторами для различных энергосистем в разные годы, можно оценить тенденции изменяемости потерь энергии в электрических сетях. Как и следовало ожидать, стала возрастать загрузка системообразующей сети 220 кВ и выше, возросли перетоки между энергосистемами и энергообъединениями, и доля потерь в сетях 220 кВ и выше возросла за период с 1974 по 1978 г. с 26 до 32%.
В результате проведенной работы по разделению потерь на хозяйственные и собственные нужды подстанций и по организации учета энергии на подстанциях уменьшились потери на собственные нужды подстанций в целом по Минэнерго до 1,5%.
Таблица 2
Структура потерь энергии в сетях
При развитии сети 500—750 кВ возрастают потери на корону. В энергосистемах с развитой сетью 500 кВ эти потери составляют уже 5—6% суммарных потерь, а в целом в сети 500—750 кВ ЕЭС СССР они составляют около 3% и будут увеличиваться при развитии сети 500 кВ и выше. Наблюдается тенденция к уменьшению доли прочих потерь, что свидетельствует об улучшении организации учета потерь в энергосистемах.
Количественный анализ потерь энергии выполняется при представлении их в зависимости от основных влияющих факторов. К ним относятся: загрузка ЛЭП, величина обменного потока мощности, степень компенсации потоков реактивной мощности, степень приближения режима к оптимальному, уровень автоматизации ведения режима сети, уровень потерь холостого хода электрооборудования и коммерческие потери.
Очевидно, что более всего проявляется зависимость потерь энергии от загрузки сети. За последние годы загрузка сети постоянно возрастает, что свидетельствует, с одной стороны, о хорошем использовании основных фондов, величина которых в настоящее время превысила 20 млрд. руб., а с другой стороны, о некотором отставании сетевого строительства. За годы десятой пятилетки загрузка в сети 500 кВ возросла на 11%, 330 кВ — на 4, а в сети 220 кВ — на 2%. Каждому вводимому
километру ВЛ 35 кВ и выше соответствовал прирост электропотребления в восьмой пятилетке 1,7 млн. кВт-ч, в девятой — 2,1 млн. кВт-ч и в десятой — 2,4 млн. кВт-ч. Такой рост загрузки ЛЭП привел к тому, что основные потоки мощности (60%) в распределительных сетях и половина мощностей в системообразующей сети 220—500 кВ передаются при плотностях тока значительно превышающих экономическую.
Непрерывно возрастает величина перетоков между энергосистемами. Обменные потоки оказывают все большее влияние на потери энергии как в транзитной сети системы, так и в распределительной при изменении уровней напряжения в узловых точках системы. Потери за счет обменных потоков в основном относятся к необходимому технологическому расходу энергии и могут быть технико-экономически обоснованы при уменьшении суммарных затрат на производство, передачу и распределение энергии. В то же время есть часть потерь, вызванная отклонением режима от оптимального при загрузке станций, работающих на избыточных видах топлива. Видимо, величина обменных потоков будет непрерывно возрастать, особенно при передаче больших потоков энергии из восточных районов страны. В то же время строительство ряда атомных станций в центрах потребления приведет к уменьшению потока энергии с востока на запад и, как следствие, уменьшит потери энергии.
Существенное влияние на уровень потерь энергии в электрических сетях всех назначений оказывает степень компенсации реактивных потоков и связанные с ней уровни напряжения в центрах питания потребителей.
Передача реактивной мощности из сети одного напряжения в другую Обычно экономически невыгодна в связи с неэкономичной загрузкой ЛЭП, увеличенными потерями активной и реактивной мощностей сети и необходимостью применения трансформаторов большей мощности. Поэтому одним из способов повышения эффективности передачи энергии является выработка реактивной мощности в электрических сетях. Оптимальный уровень дополнительной выработки реактивной мощности зависит от числа ступеней трансформации, протяженности сетей, стоимости конденсаторных установок, себестоимости выработки реактивной мощности различными источниками, загрузки сетей активной мощностью и определен в различных странах на уровне 0,4—1 квар/кВт. В настоящее время степень компенсации в СССР 0,18 квар/кВт.
Повышение степени компенсации до 0,4 квар/кВт является одним из наиболее эффективных мероприятий, которое может снизить потери на 15— 16 млрд. кВт-ч при одновременном повышении качества электроэнергии по основному показателю — отклонению напряжения. Наибольший эффект может быть достигнут при применении регулируемых источников реактивной мощности, при одновременном их управлении по законам, выбранным на основании интегральных характеристик режима сети [3]. По оценкам специалистов, уровень потерь при этом может быть снижен на 10—20 %.
Около 25% от всех потерь энергии составляют условно постоянные потери (потери холостого хода электрооборудования, в первую очередь трансформаторов). Следовательно, освоение промышленностью оборудования с меньшим расходом на холостой ход приведет к уменьшению потерь энергии.
До настоящего времени существенную долю в общих потерях составляют коммерческие потери, обусловленные несовершенством системы измерения выработанной и реализованной энергии и погрешностью измерительных приборов. Естественно, можно показать, что часть коммерческих потерь также является технически необходимой, так как добиться одновременности фиксации показаний измерительных счетчиков, равно как и их абсолютной точности, невозможно. Но резервов для уменьшения коммерческих потерь за счет выявления безучетных потребителей и совершенствования системы учета еще много. Основой этой работы должна быть единая система коммерческого учета и вновь создаваемая система технического учета.
Задача оптимизации эксплуатационной схемы электрической сети должна решаться комплексно, т. е. с учетом необходимой надежности работы системы, ее экономичности и качества электроэнергии, поставляемой потребителям. Эти требования иногда приводят к противоречивым решениям. К примеру, секционирование сети 110—120 кВ при замкнутой сети 330—500 кВ без учета снижения надежности питания потребителей и некоторого увеличения потерь реактивной мощности оказывается экономически выгодным. Если учесть ущерб от снижения надежности и ухудшения качества энергии, отпускаемой потребителю, то может оказаться, что это мероприятие нецелесообразно. Надежность необходимо учитывать и при оценке целесообразности отключения параллельно работающих слабозагруженных трансформаторов, при переводе генераторов в режим синхронного компенсатора.
Оценивая перспективные тенденции по проблеме, можно ожидать снижения общего уровня потерь в связи с расширяющимся строительством ЛЭП в обжитой территории СССР, строительством атомных станций в центрах потребления, увеличенным вводом статических конденсаторов и синхронных компенсаторов, освоением оборудования с уменьшенным расходом на холостой ход, внедрением АСДУ.
Все эти тенденции, действуя вместе, могут привести к снижению величины потерь до уровня 7,5—8%.
Как видно, в будущем при АСДУ, охватывающей оптимизационными решениями такие сферы деятельности энергосистемы, как задачи оперативного ведения режима, краткосрочного и долгосрочного планирования, режим энергосистемы будет поддерживаться с оптимальными техническими потерями. Тем самым проблема снижения потерь энергии останется в проектной области, где должны решаться оптимизационные задачи по развитию системы с заданными экономическими характеристиками.
