CC BY
125
□
УДК 621.316.9:683.06
Н. С. Бурянина, Ю. Ф. Королюк
КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ПОТЕРИ МОЩНОСТИ В АВТОНОМНЫХ СИСТЕМАХ РЕСПУБЛИКИ САХА (ЯКУТИЯ)
Рассматриваются проблемы повышения качества и снижения потерь электроэнергии в автономных системах. Эти проблемы тесно взаимосвязаны и объясняются стихийным развитием электрических сетей. Потери электроэнергии достигают 20% от потребляемой. Показано, что симметрированием нагрузок по фазам и сокращением сетей 0,4 кВ можно снизить потери до 4-7% и повысить качество электроэнергии до регламентируемого.
В Республике Саха (Якутия) проблемы повышения качества напряжения и снижения потерь электроэнергии стоят очень остро. Они тесно взаимосвязаны и обусловлены, в основном, стихийным развитием электрических сетей. Первоначально сети предназначались для распределения электроэнергии от передвижных станций, но с вводом в действие дизельных, мощность которых на порядок больше, имеющиеся в наличие сети без коренной реконструкции продолжали выполнять ту же роль. При этом игнорировалось, что пропускные способности сетей не соответствовали мощности дизельных станций.
Потери напряжения достигли предельных значений, а дальнейшее подключение новых потребителей приводило к недопустимым отклонениям напряжения, с которыми тесно связаны потери мощности и энергии. Уже первые исследования электрических сетей Якутии показали, что электрические потери в них превышают 20%. Есть сети и с большими потерями - 25-30% от полезной нагрузки и даже до 40%.
Проблема усугубляется тем, что подключение новых потребителей производится без предварительных расчетов нормальных и аварийных режимов. Критерием подключения новой нагрузки, как правило, является мощность трансформатора на питающей подстанции, а то, что после подключения у потребителей уровни напряжения не укладываются в допустимые пределы, во внимание не принимается.
Отсутствие расчетов нормальных и аварийных режимов является причиной того, что на питающих подстан-
циях не поддерживаются оптимальные уровни напряжения, не оптимизируются потери в сетях, не согласуются уставки релейных защит присоединений, а зачастую релейная защита не удовлетворяет требованиям надежности функционирования.
Расчеты нормальных режимов являются одной из задач, решение которой способствует повышению надежности и экономичности системы электроснабжения, так как появляется возможность заблаговременно предусматривать оперативные переключения, не вызывающие существенного снижения качества электроэнергии и мероприятия по снижению потерь [1].
Якутским государственным университетом разработаны программы расчетов нормальных режимов электрических сетей выше 1000 В и ниже 1000 В. Расчеты нормальных режимов электрических сетей осуществляются итерациями. Для расчетов сетей ниже 1000 В используются фазные координаты. С этой целью введен трехфазный узел. Результаты выдаются для каждой фазы узла. Эти программы явились инструментом при выполнении данной работы, а также переданы с обучением эксплуатационному персоналу АК «Якутскэнерго» и ОАО «Сахаэнер-го». В результате расчеты режимов стали нормой для диспетчерского персонала РЭС.
ОАО «Сахаэнерго» эксплуатирует более 200 дизельных электростанций, каждая из которых является ядром автономной электрической системы. Особую остроту имеет вопрос завоза топлива для электростанций и энергообеспечения отдаленных населенных пунктов. Как правило,
полностью обеспечить топливом электростанции, удаленные от берегов р. Лены, в навигационный сезон не удается, и его приходится зимой доставлять по зимникам порой за 300-500 км.
Относительно длинные линии электропередачи на низких напряжениях имеют огромные потери электрической энергии при передаче до потребителей. Уровень напряжения на дальних расстояниях падает до низкого значения, которое не отвечает требованиям ПУЭ и других руководящих документов [2].
Низкая надежность одноцепных линий при аварийных отключениях приводит к тому, что районы остаются без электроэнергии на продолжительное время, а это путь к многочисленным авариям и ущербам в жилищно-коммунальном (в зимний отопительный период) и народном хозяйстве (в летний период).
Глобальное решение проблем электрообеспечения стоит немалых денег, которые в нынешней ситуации трудно найти. Поэтому расчетами режимов электрических сетей необходимо оптимизировать варианты и применить тот режим электрообеспечения, который имеет самые минимальные потери электрической энергии при передаче к потребителям [3]. Но только одной оптимизацией не обойтись, необходимо реконструировать некоторую часть электрических сетей.
Данные исследования преследовали цель выявить характерные причины высоких потерь мощности и энергии в
электрических сетях автономных электростанции и разработать мероприятия по реконструкции, способствующие снижению этих потерь и повышению качества напряжения.
Потери напряжения и мощности с достаточной точностью можно определить по формулам:
ли=
Р ■ г + Q ■ х
и ’
Р2 + Q2 АР=------• г.
и2
Как видно из приведенных формул, потери напряжения обратно пропорциональны величине напряжения, а потери мощности обратно пропорционально квадрату напряжения.
На рис. 1 приведена схема одного из фидеров в 6 кВ, выполненного проводом АС-35. Суммарная нагрузка фидера около 1 МВА. Но у него имеются несколько участков длиной 1-2 км и один участок 8,5 км. Питание фидера осуществляется напряжением в 6,3 кВ. В результате напряжение в конце фидера на выводах трансформаторов в 0,4 кВ опускается до 0,352-0,371 кВ. У большинства однофазных потребителей 220 В напряжение ниже номинального на 15-20%. При этом потери мощности только в сети 6 кВ составили 118 кВт или 11,85% от полезной нагрузки. Чтобы напряжение в сети 0,4 кВ было в пределах 0,95-1,05 Цн, напряжение на выводах трансформаторов должно быть 0,395-405 В.
Рис. 1. Расчетная схема фидера
Замена трансформаторов на менее мощные практически не влияет на потери мощности. При замене 8 трансформаторов из 13 потери мощности уменьшились всего на 1 кВт, а напряжения в сети как 6 кВ, так и в 0,4 кВ не изменились.
Поэтому рассматривались три варианта повышения уровней напряжения и снижения потерь мощности:
• замена провода на головном участке на сечение 50 мм2 (уменьшается слагаемое Р • г в числителе первой формулы в уравнении;
• компенсация реактивной мощности включением в сети 0,4 кВ наиболее удаленных трансформаторов батарей конденсаторов (уменьшается слагаемое Р • г в числителе первой формулы уравнения);
• перевод фидера на напряжение 10 кВ (увеличивается знаменатель первой формулы уравнения).
Замена провода на головном участке фидера на сечение 50 мм2 повышает уровни напряжения практически повсеместно до 0,395-0,405 кВ. Минимальное напряжение в одном узле составляет 0,389 кВ, которое можно дополнительно повысить до 0,395 кВ, включив в узле батарею конденсаторов мощностью 25 кВАр. Потери мощности снижаются до 71 кВт или до 7,1% от полезной нагрузки.
Для получения приемлемых уровней напряжения вторым способом необходима мощность компенсирующих конденсаторов 300 кВАр. Потери мощности в этом варианте составляют 88 кВт или 8,8%.
Но оба варианта нежелательны тем, что нет запаса по мощности при подключении новых потребителей. Коэффициенты трансформации трансформаторов кроме четырех на головном участке 5,7/0,4.
Наиболее радикальным решением является перевод фидера на напряжение 10 кВ. Перевод можно осуществить в три этапа:
• в первый год установить в начале разветвления с участком линии длиной 8,47 км трансформатор 6/10 кВ и заменить пять трансформаторов 6/0,4 кВ на 10/0,4 кВ;
• во второй год подключить к сети 10 кВ еще четыре трансформатора;
• в третий год перенести трансформатор 6/10 кВ в начало фидера.
Перевод фидера в три года можно осуществить силами персонала электрических сетей за достаточно небольшой промежуток времени в каждый год, т.е. с небольшим перерывом электроснабжения.
С переводом на 10 кВ, чтобы обеспечить напряжение, равное 0,4 кВ на выводах трансформаторов, коэффициент трансформации должен быть практически везде 10/0,4, что гарантирует запас по напряжению. Потери мощности в сети 10 кВ составляют 67 кВт или в 1,76 раз меньше, чем в настоящее время.
Следует отметить еще одно обстоятельство, увеличивающее потери мощности и ухудшающее качество напряжения - это неравномерная загрузка фаз фидеров. Несим-метрия токов в линиях электропередачи приводит к тому, что одна фаза работает с перегрузкой, тогда как другие
фазы недогружены. Кроме того, появляется ток в нулевом проводе, также создающий дополнительные потери, особенно большие, если нулевой провод меньшего сечения, чем линейные.
Влияние несимметрии на потери мощности и напряжений оценивалось при расчете режимов конкретной сети
0,4 кВ с реальной неравной загрузкой фаз. Схема сети приведена на рис. 2. (Цифрами обозначены расстояния между присоединениями в метрах; большие дома с трехфазным питанием).
Распределение нагрузки по фазам резко неравномерное. На фазе А со стороны 6 кВ нагрузка составляет (113,37^33,6) кВА, на фазе В - (77,83^44,7) кВА, на фазе С - (55,37^9,32) кВА. Это является причиной смещения нейтрали и как следствие резкого различия фазных напряжений, особенно в удаленных узлах. Например в выделенной пунктиром части сети ЦА= 210 В, Ц = 139,3 В, Ц = 241,2 В. На фазе В напряжение составляет 63,3% от номинального, в то время как на фазе С - 109,6%. Если первое недопустимо низкое, второе недопустимо высокое. Потери мощности составляют 37,57 кВт или 17,93% от мощности полезной нагрузки.
Симметрирование предложено осуществить переводом однофазных нагрузок с фаз А и В на фазу С, а где трехфазное питание и существенное различие мощностей между фазами - с переводом части нагрузки на фазу С.
В результате симметрирования нагрузки на фазе А нагрузка составила (80,68^4,95) кВА, на фазе В - (77,32-_Д2,53) кВА, на фазе С - (72,44^5,82) кВА. Различие нагрузок между фазами составило 10%. Симметрирование нагрузки резко повысило минимальные напряжения (со 139 В до 198 В). Если раньше превышение напряжения на фазе С составляло 21 В выше номинального (9,6%), то после симметрирования нигде перенапряжения не превышают нормы. Различие между фазными напряжениями не превышают 10 В. Потери мощности снизились до 21,36 кВт или в 1,76 раза.
Симметрирование нагрузок не требует инвестиций, его можно выполнить в процессе текущей эксплуатации, но экономический эффект существенный.
Однако, несмотря на существенное снижение потерь мощности и повышение уровней напряжения, последние тем не менее значительно ниже установленных норм. Кардинально решить проблему можно только уменьшением длин линий 0,4 кВ. В рассматриваемой сети участок, выделенный пунктиром, предложено перевести на отдельный трансформатор мощностью 40 кВА. В результате потери мощности сократились до 14,44 кВт или до 6,9% от полезной нагрузки. По сравнению с исходным режимом потери мощности сократились на 23,04 кВт или в 2,6 раза.
Сокращение длин линий 0,4 кВ, по нашему мнению, является первоочередным мероприятием по сокращению потерь напряжения и электроэнергии в этих сетях. Исследования сетей 0,4 кВг. Якутска и сетей более двух десятков автономных станций поселков Республики Саха (Яку-
Рис. 2. Несимметрично загруженная одна из двух полуцепей сети 0,4 кВ
тия) показали, что длины линий не должны превышать 150-200 м, а в загруженных сетях - 100-150 м. При таких длинах уровни напряжения удовлетворяют нормам, а потери мощности снижаются до 3,5-4%. Мощности трансформаторов, как правило, не превышают 40-63 кВА.
Сокращение сети 0,4 кВ увеличит длину сетей от 6-10 кВ. Однако и здесь общие затраты практически не изменятся. В воздушных сетях можно применить совместную подвеску проводов 6-10 кВ и 0,4 кВ, выполнив сети 0,4 кВ самонесущим изолированным проводом. Общие затраты могут даже уменьшится, если трассы линий в 6-10 кВ и 0,4 кВ совпадают.
Выводы
1. Первым мероприятием, приводящим к повышению качества напряжения и снижению потерь электроэнергии, является симметрирование нагрузок по фазам сети 0,4 кВ.
Если нагрузка фаз отличается в два раза, потери мощности по сравнению с симметричной нагрузкой примерно в 1,5-1,7 раз больше.
2. Вторым мероприятием является сокращение сети 0,4 кВ. При рациональном размещении трансформаторов, питающих сеть 0,4 кВ, общие потери мощности можно снизить более чем в два раза.
Литература
1. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов. М.: Энергоатомиздат, 1989. 176 с.
2. Холмский В.Г. Расчет и оптимизация режимов электрических сетей (специальные вопросы): Учеб. пособие. М.: Высшая школа, 1975. 280 с.
3. Правила устройств электроустановок. 6-е изд. М.: Энергоатомиздат, 2006. 648 с.
Ы.Б. Вигуапта, Уи.Е Кого1уик
ELECTRIC ENERGY QUALITY AND CAPACITY LOSS IN AUTONOMOUS SYSTEMS OF THE SAKHA REPUBLIC (YAKUTIA)
The article considers problems of improving the quality and capacity loss of electric energy in autonomous systems. These problems are closely connected and can be explained by spontaneous development of electric networks. Energy losses reach 20% of the power consumption. It is shown that by introduction of load compensation in phases and reduction of circuit (0,4kV) it will be possible to lessen losses up to 4-7% and increase a quality of electric energy to restricted one.
■ФФФ-
