Анализ технических потерь электроэнергии в системе электроснабжения комбината «Североникель» (г. Мончегорск) Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Kolcun Michal,

Prof. Ing. Department of Electric Power Engineering, FEI TU of Kosice, Masiarska 74 SK-041 K20 Kosice, Slovak Republic, Tel.: +421 K55K602 35 51, Fax: +421 K55K602 35 52 E-mail: ee2011@tuke.sk

Полякова Мила Павловна,

студентка СамГТУ

Почтовый адрес: г.Кинель, ул.Элеваторная, 44-5, тел: 89270062440,

Эл. почта: milaya_mila13@mail.ru

Дунаева Анастасия Дмитриевна, студентка СамГТУ

Почтовый адрес: Самарская обл., Волжский р-он, с.Спиридоновка, ул.Советская 1а, кв.2. Тел.: 89277062031,

Эл. почта: prikolia@mail.ru

УДК 621.311.1:658.26

А.Е.Веселов, В.В.Ярошевич, Е.А.Токарева, Г.П.Фастий

АНАЛИЗ ТЕХНИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ КОМБИНАТА «СЕВЕРОНИКЕЛЬ» (Г.МОНЧЕГОРСК)

Аннотация

Предложен метод расчета технических потерь электроэнергии в системе электроснабжения крупного промышленного предприятия Северо-запада России - комбината «Североникель». Он основан на определении потерь мощности и электроэнергии по средним нагрузкам узлов схемы и выполнен для условно выделенной группы элементов сети 10 кВ комбината, подключенных к узлам головных подстанций. В расчетах использованы данные суточных графиков нагрузки в режимные дни зимнего и летнего периода работы.

Ключевые слова:

система электроснабжения, технические потери электроэнергии, питающая сеть, режимный график нагрузки.

A.E.Veselov, V.V.Yaroshevich, E.A.Tokareva, G.P.Fastiy

THE ANALYSIS OF TECHNICAL LOSSES OF THE ELECTRIC POWER IN SYSTEM OF THE ELECTRICAL SUPPLY OF THE INDUSTRIAL COMPLEX «NORTH NICKEL» (MONCHEGORSK)

Abstract

The method of calculation of technical losses of the electric power in system of an electrical supply of the large industrial enterprise of the Northwest of Russia - industrial complex «North nickel» is offered. It is based on definition of losses of capacity and the electric power on average loadings of knots of the scheme and executed for conditionally allocated group of elements of a network 10 M the industrial complex, the head substations connected to knots. In calculations are used given daily production schedules in regime days of the winter and summer period of work.

Key words:

electrical supply system, technical losses of the electric power, a power line, the regime production schedule.

Одним из основных показателей эффективности эксплуатации современных систем электроснабжения промышленных предприятий является величина технических потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях. Проведение расчетов по определению уровня технических потерь электроэнергии связано со значительными трудностями вследствие многочисленных схемообразующих линий и питающих подстанций, а также большого разнообразия параметров отдельных участков сети.

Снижение потерь электроэнергии в распределительных сетях предприятий является важной составляющей общего комплекса энергосберегающих мероприятий, чрезвычайно актуальной с экономической точки зрения, так как стоимость этих потерь является конкурирующей величиной с капитальными затратами на сооружение сети. Потери электроэнергии в рационально построенных и эксплуатируемых сетях должны быть равны величине технологического ее расхода на передачу по электрическим сетям.

Однако практика показывает, что фактическая величина потерь электроэнергии, как правило, существенно превышает оптимальную. В связи с этим поддержание потерь на уровне, близком к необходимому технологическому расходу, является важнейшей задачей оптимизации режимов сети при ее эксплуатации.

Следует отметить, что широко практикуемое энергосистемами, в частности ОАО «Колэнерго», установление нормативных значений потерь электрической энергии в элементах электрической сети и сопоставление их с расчетными фактическими потерями в этих элементах позволяет судить о том, насколько рационально построена эта сеть и насколько эффективно она эксплуатируется, а затем рекомендовать соответствующие мероприятия, направленные на улучшение построения и эксплуатации сети.

Наибольшую трудность при выполнении расчетов технических потерь в промышленных электрических сетях, в частности комбината «Североникель», представляет сбор достоверной информации о параметрах схемообразующей сети и режимах ее электропотребления.

1. Структура отчетных потерь электроэнергии в электрических сетях промышленных предприятий

Разделение потерь на составляющие может проводиться по разным критериям: характеру потерь (постоянные, переменные), классам напряжения, группам элементов, производственным подразделениям и т.д. Для целей нормирования потерь целесообразно использовать укрупненную структуру потерь электроэнергии, в которой потери разделены на составляющие, исходя из их физической природы и специфики методов определения их количественных значений. Исходя из этого критерия, фактические потери могут быть разделены на четыре составляющие:

1. технические потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям и выражающимися в преобразовании части электроэнергии в тепло в элементах сетей. Технические потери не могут быть измерены. Их значения получают расчетным путем на основе известных законов электротехники;

2. расход электроэнергии на собственные нужды подстанций, необходимый для обеспечения работы технологического оборудования подстанций и жизнедеятельности обслуживающего персонала. Расход электроэнергии на собственные нужды подстанций регистрируется счетчиками, установленными на трансформаторах собственных нужд;

3. потери электроэнергии, обусловленные инструментальными погрешностями ее измерения (инструментальные потери). Эти потери получают расчетным путем на основе данных о метрологических характеристиках и режимах работы используемых приборов;

4. коммерческие потери, обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счетчиков оплате за электроэнергию потребителями и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением энергии. Коммерческие потери не имеют самостоятельного математического описания и, как следствие, не могут быть рассчитаны автономно. Их значение определяют как разницу между фактическими (отчетными) потерями и суммой первых трех составляющих.

В настоящее время расход электроэнергии на собственные нужды подстанций отражается в отчетности в составе технических потерь, а потери, обусловленные погрешностями системы учета электроэнергии, - в составе коммерческих потерь. Это является недостатком существующей системы отчетности, так как не обеспечивает ясного представления о структуре потерь и целесообразных направлениях работ по их снижению.

Три первые составляющие укрупненной структуры потерь обусловлены технологическими потребностями процесса передачи электроэнергии по сетям и инструментального учета ее поступления и отпуска. Сумма этих составляющих хорошо описывается термином технологические потери.

Четвертая составляющая - коммерческие потери - представляет собой воздействие «человеческого фактора» и включает в себя все его проявления: сознательные хищения электроэнергии некоторыми абонентами с помощью изменения показаний счетчиков, потребление энергии мимо счетчиков, неоплату или неполную оплату показаний счетчиков, определение поступления и отпуска электроэнергии по некоторым точкам учета расчетным путем (при несовпадении границ балансовой принадлежности сетей и мест установки приборов учета) и т.п.

Как показывает практика, в составе потерь электроэнергии, учитываемых при формировании тарифов, выделяются три составляющие: технические потери, расход электроэнергии на собственные нужды подстанций и потери, обусловленные погрешностями приборов учета электроэнергии.

Методы расчета технических потерь электроэнергии разрабатывались и совершенствовались в течение длительного времени. В настоящее время у специалистов практически нет разногласий по принципиальным положениям методологии расчета этих потерь.

С экономических позиций потери - это та часть электроэнергии, на которую ее зарегистрированный полезный отпуск потребителям оказался меньше электроэнергии, произведенной на своих электростанциях и закупленной у других ее производителей. Под зарегистрированным полезным отпуском электроэнергии здесь понимается не только та его часть, денежные средства за которую действительно поступили на расчетный счет энергоснабжающей организации, но и та, на которую выставлены счета, т.е. потребление энергии зафиксировано. Выставление счетов является практикой, применяемой к организациям - юридическим лицам, потребление энергии которыми фиксируется ежемесячно.

Расход электроэнергии на собственные нужды подстанций не является продукцией, оплачиваемой конечным потребителем, и с экономической точки зрения ничем не отличается от расхода в элементах сетей на передачу остальной части электроэнергии потребителям.

Занижение приборами учета объемов полезно отпущенной электроэнергии (недоучет) является такой же экономической потерей, как и две описанные выше составляющие. То же самое можно сказать и о хищениях электроэнергии. Поэтому все четыре описанные выше составляющие потерь с экономической точки зрения одинаковы.

Фактические (отчетные) потери в экономическом плане являются строго детерминированной величиной, жестко связанной с денежными средствами, полученными за проданную энергию. Задача «исправления» отчетных потерь на основе учета погрешностей счетчиков бессмысленна, так как не может привести к изменению денежных средств.

В связи с этим основной задачей расчета и анализа потерь является определение их структуры, выявление конкретных очагов потерь и оценка возможностей их снижения до экономически оправданных значений.

2. Технические потери электроэнергии и методики их определения в распределительных электрических сетях 6-10 кВ

Определение потерь электрической энергии в промышленных сетях напряжением 6-10 кВ связано со значительными трудностями вследствие многочисленности сетевых сооружений и большого разнообразия параметров отдельных участков сети. Кроме того, для промышленных сетей характерно отсутствие в узловых пунктах схем распределения электроэнергии постоянного дежурного персонала и стационарных измерительных приборов.

Так как величина электрической энергии является одним из основных показателей эксплуатации электрической сети, то проблема снижения потерь мощности и электрической энергии является чрезвычайно актуальной с народнохозяйственной точки зрения, что привлекло к ее решению целый ряд организаций. Разработанные ими методики могут быть условно разделены на две основные группы:

1. метод числа часов наибольших потерь т ;

2. метод средних нагрузок.

К первой группе относятся методы, использующие в расчетах определение потерь мощности и энергии в режиме максимальной нагрузки сети по формуле:

АЛ = АР ■ т,

max ’

где АРтах - потери мощности при максимальной нагрузке, кВт.

Ко второй группе относятся методы расчета, основанные на определении потерь мощности по средним нагрузкам узлов сети. Величина этих средних нагрузок находится по данным учета потребления электрической энергии каждым из элементов сети 6-10 кВ (питающаяся сеть, распределительная сеть, сетевые трансформаторы), по величине среднего эксплуатационного напряжения и по значению среднего коэффициента мощности. Величина потерь, определенная по средним нагрузкам, корректируется введением целого ряда поправочных коэффициентов.

В настоящее время на базе вышеописанных методов наибольшее применение для расчета потерь в промышленных сетях нашли следующие практические методики:

1. оценочный расчет, который позволяет определить потери в целом по

основным составляющим схемы: питающей и распределительной сети

напряжением 6-10 кВ; трансформаторам напряжением 6-10 кВ.

2. поэлементный метод, который позволяет рассчитывать потери по отдельным конкретным элементам сети. Этот метод обеспечивает большую точность, но требует сбора значительной исходной информации.

В дальнейшем будем ориентироваться при расчетах технических потерь электроэнергии на комбинате «Североникель» на использование оценочного метода, основанного на определении потерь мощности и энергии по средним нагрузкам узлов сети.

3. Анализ результатов расчетов технических потерь в электрических сетях, подключенных к узлам головных подстанций

Расчеты потерь электроэнергии проводились для следующих условно выделенных групп элементов сети 10 кВ комбината «Североникель», подключенных к узлам головных подстанций 150/10 кВ (рис. 1):

1. Сети 10 кВ питающих подстанций комбината - питающаяся сеть. В качестве отдельной составляющей выделим потери активной энергии в реакторах питающих фидеров.

2. Распределительные сети 10 кВ, отходящие от подстанций комбината к распределительным подстанциям (РП).

3. Силовые трансформаторы с высшим напряжением 10 кВ потребителей комбината.

Рис.1. Схема электроснабжения комбината

Расчеты проводились с использованием методики, основанной на определении потерь мощности по средним нагрузкам узлов сети. Практика расчетов [і, 2] показала, что такой подход наиболее целесообразен для разветвленных сетей крупных промышленных предприятий типа комбината «Североникель».

Величина средних нагрузок находится по данным учета потребления электроэнергии каждым из элементов сети 10 кВ, по величине среднего эксплуатационного напряжения и по значению среднего коэффициента мощности. На основе этой методики был разработан алгоритм расчета потерь электроэнергии и на его базе составлена программа расчета технических потерь.

Исходные данные для расчетов были получены в результате обследования системы электроснабжения комбината и систематизированы по узлам головных подстанций, а также распределительных подстанций.

Приведем результаты расчетов технических потерь электроэнергии в питающей сети по узлам одной из головных подстанций.

Расчеты выполнялись для схемы нормального установившегося режима, существовавшего на момент проводимого обследования. В табл. 1 приведены исходные данные для расчетов технических потерь в питающей сети 10 кВ главной понизительной подстанции (І 'І III). В этой таблице перечислены фидеры головной подстанции с указанием присоединенных потребителей, марки, сечения и длины кабелей всех участков питающей сети, а также данные о помесячном потреблении активной электроэнергии за апрель - июнь по отдельным фидерам, полученные в Энергосбыте комбината.

Таблица 1

Исходные данные для расчета потерь по ГПП

№ № ф. Потребитель Кабель Длина, м Ап, июнь 2009 г. (тыс. кВт-ч) Ап, май 2009 г. (тыс. кВт-ч) Ап, апрель 2009 г. (тыс. кВт-ч)

1 36 РП-15 ф.19 ААШв 4(3х150) 1145 5235.3 4980.2 5789.4

2 28 РП-15ф.5 ААШв 2(3х95) 300 1067.4 988 681.4

3 46 РП-156 ф.32 ААШв 3(3х185) 1270 467.2 1591.8 1194.8

4 20 ПП-1 ф.8 СБН 4(3х 50) 603 1.44 1.2 1.32

ААШвУ 4(3х150) 20

5 41 РП-10 ф.5 ААШВ Зх150 1500 319.84 345.2 481.12

ААБ 3x150 550

6 50 РП-25 ф.9 ААБн 5(3x185) 880 790.2 946.4 829.6

7 26 РП-25ф.16 АСБн 4(3х240) 910 603 1371 625

8 48 ТЭЦ №2 ф.20 ААШв 2(3х240) 115 1985.05 1754.62 1481.76

9 19 ТЭЦ №2 ф.13 ААШв 2(3х240) 115 1136.45 956.13 741.23

10 14 ТСН-1 ТМ 10/0.4 (320 кВА) 10.95 0.9 4.65

11 39 ТСН-2 ТМ 10/0.4 (320 кВА) 7.5 8.1 3.75

12 51 КЭЧ ААБн 3x185 450 604.8 544 857.6

13 52 СН СН-330 56.8 75.2 103.2

14 11 ввод ГРДН 150/10 (63000 кВА) 8430 11900 9530

15 55 ввод ГРДН 150/10 (63000 кВА) 14490 14200 14830

16 43 ввод ІРДН 150/10 (63000 кВА) 19078 16407 20986

Для расчета потерь электроэнергии в сети 10 кВ необходимо составить схему замещения всех ее участков.

При определении активных и индуктивных сопротивлений кабельных и воздушных линий использовались следующие расчетные формулы:

^ 1 • х = х°г'1

п п

где Яа, Х°I - удельные сопротивления кабельных линий, Ом/км; I - длина линии, км; п - число параллельно проложенных кабельных линий, для воздушных линий п - число цепей.

Например, фидер 36 от ГПП к РП-15 (фидер 19) выполнен четырьмя параллельно проложенными кабелями марки ААШв (3х150) длиной 1145 м.

Погонные сопротивления кабеля марки ААШв с сечением жилы 150 мм2 имеют значения Яо=0.206 Ом/км; Х0=0.079 Ом/км [3].

В результате параметры схемы замещения кабельного ввода к РП-15 (фидер 36 ГПП) имеют значения:

Я = К-1 = 0,206-Ц45 = 0,059 Ом; X = ^ = 0'079 '1Л45 = 0,023 Ом.

п 4 п 4

Аналогично определяются параметры схем замещения всех участков питающей сети 10 кВ ГПП. По данным почасовых измерений активной мощности по всем фидерам связи секций шин ГПП с отдельными РП известны значения максимальных мощностей Ртах по каждому кабельному вводу.

Суммарное сопротивление всей питающей сети 10 кВ ГПП определяется по формуле:

т т

яп = УЯ; Хп =ХХ, •

7=1 7=1

где т - число питающих вводов 10 кВ от ГПП.

В рассматриваемой схеме т = 27. При этом получаем:

27 27

Яп = У Я = 1,67 Ом; Хп = У X = 0,7 Ом.

7=1 7=1

В качестве характерного режима для расчета потерь рекомендуются режимные дни для зимнего и летнего графика нагрузки. В расчете использованы данные суточного графика нагрузки за летний рабочий день июня для питающих линий 10 кВ ГПП (табл.1).

В качестве исходных данных для расчета принимаются следующие параметры:

1. Количество активной электроэнергии, поступившей в питающую сеть 10 кВ ГПП с шин этой подстанции, за расчетный период (месяц) составило (по данным Энергосбыта комбината):

Ап = 8430 + 14490 + 19078 = 41998 тыс. кВт©ч.

Количество реактивной электроэнергии определим, приняв со8фсрвзв=0.8;

фср.взв. °.75-

АП.Р = АП © Х%фсрвзв = 41998 ©0.75=31498.5 тыс. квар ©ч.

2. Напряжение сети (по данным замеров на шинах ГПП) - иС = 10.6 кВ.

3. Выборка максимальных мощностей по всем питающим фидерам, отходящим от шин ГПП к РП [кВт].

Для рассматриваемой ГПП число питающих линий т = 27. Сумма максимальных мощностей по всем питающим фидерам составит величину:

27

У Р = 61079 кВт.

тг

7=1

4. Собственная максимальная токовая нагрузка каждой питающей линии 1т может быть найдена по формуле:

1 _ Р--

ТІ3 • иг •

В результате расчета получаем выборку максимальных токов всех питающих фидеров ГПП. Сумма максимальных токов составит величину:

27

У 1тг = 4518,6 А.

7=1

Определяем средний максимальный ток питающей линии:

т

УI

1 =Уг^=451^=167 А

Мср т 27 Коэффициент неравномерности нагрузок питающей линии:

I -1

Т/г мах мин

Кн =

I • К

1Ыер К1

где 1мах, 1мин - величины максимального и минимального токов, определенные из выборки максимальных токов питающих линий, А; Кі - коэффициент, учитывающий изменение тока в течение года. Приближенно примем величину К1=0.905.

В результате получаем:

КН=(720.43-0Л4)/(167Ю.905)=4.76.

Определяем значение коэффициента увеличения потерь из-за неравномерности среднего тока нагрузки в течение месяца и по питающим линиям по формуле:

2 2 = 1 + 0,14 • Кн + 0,04 • Кн — 1 + 0,14 • 4,76 + 0,04 • 4,76 = 2,6.

Число часов использования максимума нагрузки:

Г =фп-= 41998000 — 687,6 ч.

^ 61079

ті

і—I

Определим средний ток питающей линии с корректировкой по числу часов использования максимальной нагрузки различными группами потребителей:

Т ^„ 687,6 4

Iпер — IМср------— 167-----------—159,5 А.

пер мср 720 720

Здесь: 720 ч.=24 ч.-30 - число часов в июне.

Коэффициент квадратичности, учитывающий характер изменения нагрузки в течение суток, примем равным Ккв = 1.03.

В результате потери активной электроэнергии в питающей сети напряжением 10 кВ за месяц составят величину:

/ 2 2 -3

ААр = 3-Nп■ К„ - 1пр -Яп-720-10 ;

/ 2 2 -3

= 3-2,6-1,03 -159,5 -1,67-720-10 = 253127 кВт-ч.

Потери активной энергии от протекания реактивной мощности в питающей сети составят величину:

АА, = А.,-У10 - = 314985002-1,67-10" = 28094 ^

р и2 -т2 - 720 10,62-272-720

Общие суммарные потери активной электроэнергии в питающей сети равны: ААр =АА'р + А" = 253127 + 28094,7 = 281222 кВт-ч.

Относительная величина потерь активной электроэнергии в питающей сети ГПП составит:

ААР 281222

Ал0/ = —р -100% =---------------100% = 0,67 %.

р% Ап 41998000

Для расчета потерь электроэнергии в реакторах рассматриваемой ГПП по всем отходящим фидерам в табл.2 приведены их технические параметры.

Таблица 2

Технические данные реакторов

№ фидера Тип реактора № фидера Тип реактора

1 РБА-10-600-4 32 РБА-10-1500-8

2 РБА-10-600-4 33 РБА-10-600-4

3 РБА-10-600-4 37 РБА-10-1500-8

4 РБА-10-1000-6 38 РБА-10-1000-6

5 РБА-10-600-4 41 РБА-10-600-4

7 РБА-10-600-3 42 РБА-10-600-4

8 РБА-10-600-4 45 РБА-10-600-4

9 РБА-10-1000-6 47 РБА-10-600-4

10 РБА-10-1000-6 48 РБА-10-600-4

11 РБА-10-600-4 49 РБА-10-1000-4

16 РБА-10-1500-8 50 РБА-10-1000-4

17 РБА-10-600-4 53 РБА-10-400-3

19 РБА-10-600-4 54 РБА-10-400-3

В результате проведенных расчетов величина потерь активной электроэнергии в реакторах составила 0.04% от поступившей с шин ГПП электроэнергии, т.е. величину 16695 кВт-ч. Аналогичные расчеты были проведены для других ГПП комбината «Североникель».

Обобщая результаты расчетов для всей питающей сети системы электроснабжения комбината от шин 10 кВ ГПП до РП, установленных в отдельных цехах и подразделениях, получаем величину технических потерь активной электроэнергии порядка 0.96% от значения поступившей из сети электроэнергии для рассматриваемого режимного графика нагрузки.

В дальнейшем будут выполнены расчеты потерь электроэнергии в других элементах системы электроснабжения комбината, что позволит разработать детальный план мероприятий по снижению уровня технических потерь.

Литература

1. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.

2. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях: Руководство для практических расчетов. - М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем / под ред.

В.Н.Казанцева. - М.: Энергоатомиздат, 1983.

Сведения об авторах

Веселов Анатолий Евгеньевич,

доцент кафедры «Электроэнергетики и электротехники» КФ ПетрГУ, к.т.н.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, ул.Энергетическая, д. 19

Ярошевич Вера Васильевна,

младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: yaroshevich@ien.kolasc.net.ru

Токарева Евгения Александровна,

младший научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А

Фастий Галина Прохоровна,

научный сотрудник лаборатории надежности и эффективности оборудования энергосистем Центра физико-технических проблем энергетики Севера КНЦ РАН.

Россия, 184209, Мурманская область, г.Апатиты, мкр.Академгородок, д.21А Эл. почта: fastiy@ien.kolasc.net.ru