Определение и снижение потерь электроэнергии в нормальных режимах сетей 0, 4 кВ сельских населенных пунктов

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 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 13 109−97 [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.

J1.A., 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 сосредоточенными, 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 потерьво-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 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:

1 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.

2 Установить взаимосвязь между квадратичными формами симметричных составляющих и фазными токами сети, чтобы в расчетах применять результаты, непосредственно получаемые на практике специализированными приборами.

3 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 аддитивных 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 Фурьеполучены зависимости для расчета вероятностных составляющих токов обратной и нулевой последовательности в линиях 0,4 кВ сельских населенных пунктовразработана 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:

1. 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;

2. Методика определения потерь электроэнергии на основе дисперсионного анализа симметричных составляющих токов фаз линий 0,4 кВ;

3. 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, 2004 г.), 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.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1 Показано, что, используя свойство аддитивности квадратичных форм симметричных составляющих Фортескью и гармонических составляющих Фурье, можно разложить дополнительные энергетические потери в сети 0,4 кВ на аддитивные составляющие в форме дисперсий, и установлено, что квадратичные формы функций составляющих токов математически и физически адекватно отражают целевую функцию энергетических потерь.

2 Получены новые аналитические выражения для расчета вероятностных составляющих токов обратной и нулевой последовательности линий 0,4 кВ сетей сельских населенных пунктов и на их основе разработан комплексный и универсальный дисперсионный метод определения потерь электрической энергии в сельских сетях 0,4 кВ, отличием которого является представление параметров линий и токов ее фаз в единой форме ортогональных составляющих для анализа и последующей минимизации энергопотенциальных потерь.

3 Разработана методика инженерного расчета потерь электроэнергии на основе дисперсионного анализа составляющих токов фаз линий 0,4 кВ, позволяющая структурировать и определить потерь электроэнергии в линиях сельских населенных пунктов с точностью 4−8%. Методика принята к использованию в Краснодарском отделе проектного института Типрокоммунэнерго" .

4 Исследованы простые способы уменьшения потерь мощности при ее передаче по распределительной сети 0,4 кВ сетей сельскохозяйственных потребителей. Показано, что применение однофазных и трехфазных вольтодобавочных трансформаторов позволяет уменьшить потери в силовом трансформаторе и фидере питания проблемной нагрузки на 3−5%.

5 Установлено, что точки рационального присоединения дополнительных линий на основе СИП для реконструкции сетей с целью уменьшения потерь и улучшения качества электроэнергии у электрически отдаленных потребителей распределительной сети 0,4 кВ сельского населенного пункта находятся в пределах 0,6−0,7 длины линий от её начала.

6 Изготовленные и изготовленные 3-х фазные и однофазные вольтодобавочные автотрансформаторы используется в Тимашевских и Усть-Лабинских электрических сетях 0,4 кВ Краснодарского края, годовой экономический эффект от их применения составил 95,3 тыс.рублей. Срок окупаемости с учетом дисконтирования составляет менее 2-х лет.