Определение потерь электроэнергии с учётом температуры нагрева элементов электрических сетей Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4

СООБЩЕНИЯ REPORTS

УДК 621.317 DOI: 10.17213/0321-2653-2018-4-132-136

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ С УЧЁТОМ ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ЭЛЕМЕНТОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЕЙ

© 2018 г. В.Ф. Ермаков, Д.В. Жильцов, И.В. Зайцева, А.В. Горобец

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия

THE DETERMINATION OF POWER LOSSES TAKING INTO ACCOUNT THE TEMPERATURE OF HEATING ELEMENTS OF ELECTRICAL NETWORKS

V.F. Ermakov, D.V. Zhiltsov, I.V. Zaitseva, A. V. Gorobets

Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia

Ермаков Владимир Филиппович - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Электроснабжение и электропривод», ЮжноРоссийский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Жильцов Дмитрий Владимирович - магистрант, кафедра «Электроснабжение и электропривод», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Зайцева Ирина Владимировна - аспирант, кафедра «Электроснабжение и электропривод», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Горобец Андрей Васильевич - программист, кафедра «Электроснабжение и электропривод», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Ermakov Vladimir Filippovich - Doctor of Technical Sciences, professor, department «Power Supply and Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Zhiltsov Dmitriy Vladimirovich - Undergraduate, Department «Power Supply and Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Zaitseva Irina Vladimirovna - Post-Graduate Student, Department «Power Supply and Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Gorobets Andrey Vasilyevich - Programmer, Department «Power Supply and Electric Drive», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: integral-novoch@yandex.ru

Описано влияние учёта зависимости сопротивления элементов электрических сетей от температуры на точность определения потерь электроэнергии. Расчеты выполнены для суточных графиков нагрузки трансформаторов на районной подстанции мощностью 63 МВА. Экспериментальные данные о работе силового трансформатор ТРДН 63МВА/110 кВ, установленного на подстанции «Рязань», получены с помощью микропроцессорного счетчика ресурса трансформатора в летнее и зимнее время 2017 г. Приведены графики потерь мощности в линии электропередачи (ЛЭП) с учётом и без учёта изменения суточной температуры проводника в летнее и зимнее время, а также разности фактических потерь мощности с учётом и без учёта температуры проводника ЛЭП. Проведено сравнение потерь мощности в линии электропередачи в летнее и зимнее время, а также дана оценка погрешности определения потерь мощности в линии электропередачи с учётом и без учёта температуры проводника ЛЭП.

Ключевые слова: температура проводников; сопротивление проводников; потери электроэнергии.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4

The article shows the effect of taking into account the dependence of the resistance of the elements of electrical networks on temperature on the accuracy of determining the loss of electricity. Calculations are performed for daily load schedules of transformers at the district substation with a capacity of 63 MVA. Experimental data on the operation of the power transformer TRDN 63MVA /110 kV, installed at the substation" Ryazan", were obtained by the authors using a microprocessor resource meter transformer CPT in the summer and winter of 2017. The graphs of power losses in the power line, taking into account and excluding changes in the daily temperature of the conductor in the summer and winter, as well as the difference in the actual power losses, taking into account and excluding the temperature of the conductor transmission line. The comparison of power losses in the power line in the summer and winter, as well as an estimate of the error in determining the power losses in the power line with and without taking into account the temperature of the conductor power lines.

Keywords: the temperature of conductors; resistance of conductors; loss of electricity.

Проблеме расчета потерь электроэнергии в электрических сетях посвящено большое количество работ, основные из них [1 - 5], в которых предлагается определять потери без учёта зависимости сопротивления элементов электрических сетей от их температуры нагрева.

Максимально допустимая температура нагрева большинства проводников составляет 125 оС [6], силовых трансформаторов - 140 оС [7].

Неучтенная зависимость сопротивления элементов электрических сетей от их температуры нагрева приводит к значительным погрешностям определения потерь мощности и электроэнергии, достигающим значений 30 - 40 % в рабочем диапазоне температуры электрооборудования (ЭО) [8].

Авторами с помощью микропроцессорного счетчика ресурса трансформатора [9, 10] в летнее (26.07.2016 г.) и зимнее (07.02.2017 г.) время года получены экспериментальные данные о работе силового трансформатор ТРДН 63МВА/110 кВ, установленного на подстанции «Рязань». Полученные данные приведены в табл. 1 и 2.

По данным таблиц на рис. 1 построены суточные графики изменения тока нагрузки I(t), позволяющие сделать вывод о малой загрузке трансформатора ТРДН 63000/110 в эти дни:

26.07.2016 - Кз = 1ср/1ном = 56,96375833/330 = 0,1726;

07.02.2017 - Кз = 1ср/1ном = 58,12099871/330 = 0,1761,

здесь 1ном = 330 А - номинальный ток трансформатора ТРДН 63000/110 в обмотке 110 кВ.

Для приведенных на рис. 1 суточных графиков изменения тока нагрузки I(t) рассчитаны переходные процессы исследуемых величин в линии электропередач (ЛЭП); провода ЛЭП имеют параметры: 1Ном = 111 А; сечение жилы 16 мм2; ^0уд=1,146 Ом/км (при t0 = 20 °С); длина ЛЭП l = 10 км; постоянная времени нагрева т = 17 мин; ^ом = 70 °С. Расчеты выполнены на основании общей теории нагрева проводников,

созданной профессором С.М. Брагиным [11], с учетом уточнений, предложенных в работе [12].

Таблица 1 / Table 1

Протокол данных в летний период времени / The data Protocol in summer time period

Дата Время Температура ЭО °C Ток, А Температура окр. среды °C

26.07.2016 0:00:00 23 31,478334 19

26.07.2016 1:00:00 22 28,067377 18

26.07.2016 2:00:00 22 26,709702 18

26.07.2016 3:00:00 21 25,619236 16

26.07.2016 4:00:00 21 24,775259 16

26.07.2016 5:00:00 20 23,84679 17

26.07.2016 6:00:00 21 25,874475 17

26.07.2016 7:00:00 22 36,328953 19

26.07.2016 8:00:00 24 49,87566 23

26.07.2016 9:00:00 25 62,941105 25

26.07.2016 10:00:00 26 74,026985 25

26.07.2016 11:00:00 28 75,260628 26

26.07.2016 12:00:00 31 67,45314 28

26.07.2016 13:00:00 39 84,751511 28

26.07.2016 14:00:00 50 93,248863 29

26.07.2016 15:00:00 47 89,775604 29

26.07.2016 16:00:00 49 90,951836 29

26.07.2016 17:00:00 48 83,360748 28

26.07.2016 18:00:00 40 73,333397 28

26.07.2016 19:00:00 35 65,818871 25

26.07.2016 20:00:00 31 63,44492 22

26.07.2016 21:00:00 28 64,247253 20

26.07.2016 22:00:00 26 58,191231 19

26.07.2016 23:00:00 25 47,748322 18

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4

Математическая модель процесса изменения температуры нагрева проводника, предложенная в [12], позволяет выполнять определение потерь мощности с учётом зависимости сопротивления проводов от температуры.

Таблица 2 / Table 2 Протокол данных в зимний период времени / Winter time data Protocol

Дата Время Температура ЭО, °C Ток, А Температура окр. среды, °C

07.02.2017 0:00:00 -13 36,519459 -19

07.02.2017 1:00:00 -14 33,626274 -19

07.02.2017 2:00:00 -15 32,536789 -20

07.02.2017 3:00:00 -15 31,921276 -21

07.02.2017 4:00:00 -16 31,051422 -22

07.02.2017 5:00:00 -16 31,405636 -22

07.02.2017 6:00:00 -16 33,766785 -23

07.02.2017 7:00:00 -17 45,252773 -23

07.02.2017 8:00:00 -17 62,083782 -23

07.02.2017 9:00:00 -17 74,679153 -23

07.02.2017 10:00:00 -16 79,60321 -22

07.02.2017 11:00:00 -15 83,21962 -21

07.02.2017 12:00:00 -14 80,191231 -21

07.02.2017 13:00:00 -6 78,367615 -20

07.02.2017 14:00:00 1 80,326508 -18

07.02.2017 15:00:00 4 77,812508 -18

07.02.2017 16:00:00 1 75,127632 -19

07.02.2017 17:00:00 -7 70,868523 -18

07.02.2017 18:00:00 -12 71,715881 -19

07.02.2017 19:00:00 -13 67,359276 -19

07.02.2017 20:00:00 -13 62,3246 -20

07.02.2017 21:00:00 -14 57,125099 -19

07.02.2017 22:00:00 -14 53,520172 -21

07.02.2017 23:00:00 -14 44,498745 -22

I, А

100 ^

0

I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 T>4

a

I, А 90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

II I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I I

3 5 7 9 II 13 15 17 19 21 23^,4 б

Рис. 1. Суточные графики изменения тока нагрузки I(t):

а - 26.07.2016, Iср = 56,96375833 А; б - 07.02.2017, Iср = 58,12099871 А / Fig. 1. Daily schedule of load current change I(t): а - 26.07.2016, Iср = 56,96375833 А; б - 07.02.2017, Ьр = 58,12099871 А

t, °C I, A R, Ом

Аруц, кВт '

# Л*

V (х- b- 4fe- r^- fy-

На основании результатов исследования (рис. 2) можно сделать вывод, что в зимнее время фактическая температура проводов ЛЭП снизилась в сравнении с температурой летом; соответственно, снизилось и сопротивление провода, что привело к снижению потерь электроэнергии на передачу по воздушной линии (ВЛ). Исследование потерь мощности в ЛЭП с учётом температуры ЭО позволяет получить более точные данные о потерях мощности (рис. 3, 4). При максимальных суточных нагрузках разница в определении потерь мощности с учетом и без учета зависимости сопротивления проводов от температуры ЛЭП максимальна [13].

t, °C I, A R, Ом

Аруд, кВт 60

.Ф .Ф .Ф .Ф .<$> .Ф .Ф .Ф

T, ч

ы- <6-

г[>-

б

Рис. 2. Исследование ЛЭП на протяжении суток: а - в летнее время года; б - в зимнее время года / Fig. 2. Study of power lines during the day: а - in the summer; б - in the winter

а

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4

Ару,, кВт

120 —

100 —

80 —

60 —

40 — 20 0

# J# J# J# #Т, ч

О- V V (о- ^у- Nb- ^ь- ty-

При расчетах и измерении потерь мощности и энергии необходимо учитывать зависимость сопротивления проводов от температуры по формуле Я = Я (1 + а ■ 0и ), где Ло - активное сопротивления при температуре воздуха 0 °С; а - температурный коэффициент сопротивления; 0 п - температура проводника.

Аруц, кВт

14 -

12 -

10 Аруд - Ару,, без учета

-температур

8 6 4 2 0

л* # #

о- v V (О- «Ь- ^ ЧЬ- T, ч

б

Рис. 3. Графики потерь мощности (а) и разности фактических потерь мощности с учётом и без учёта температуры проводника (б) в линии 26.07.2016 / Fig. 3. Graphs of power losses (а) and difference between the actual power loss with and without consideration to the load conductor (б) in the line 26.07.2016

Ару, при iQ=2 °C

Ару,, кВт

90 —

80 —

70 —

60 —

50 —

40 —

30 — 20 10

0 -

# # Я? # # я£ # J# T ч

О- V IX- (о- 45- ^ ^у- sb- ^ rfr-

Аруд, кВт

14 —

12 —

10 —

8 —

6 —

4 — 2 0

а

температур

T, ч

й» А

.Ф-

О- V V (о- <b- sy- 4V sb- sjb- г[>"

б

Рис. 4. Графики потерь мощности (а) и разности фактических потерь мощности с учётом и без учёта температуры проводника (б) в линии 07.02.2017 / Fig. 4. Graphs of power losses (а) and difference between the actual power loss with and without consideration to the load conductor (б) in the line 07.02.2017

Литература

1. Потери мощности и энергии в электрических сетях / Под ред. Г.Е. Поспелова. М.: Энергоиздат, 1981. 216 с.

2. Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Казанцев В.Н. [и др.]. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем / Под ред. В.Н. Казанцева. М.: Энергоатомиздат, 1983. 368 с.

3. Приказ Министра Энергетики РФ от 30 декабря 2008г №326 От организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологически потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям. М.: 2008. С. 14 - 24.

4. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет,

анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях: руководство для практических расчетов. М.: Издательство НЦ ЭНАС, 2004. 280 с.

5. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.

6. Справочник по проектированию электрических сетей и электрооборудования / Под ред. Б.И. Круповича Ю.Г. Барыбина, М.Л. Самовера. М.: Энергоиздат, 1981. 406 с.

7. ГОСТ 14209-97 (МЭК 354-91. LOADING GUIDE FOR OIL-IMMERSED POWER TRANSFORMERS). Руководство по нагрузке силовых масляных трансформаторов. Минск: Межгосуд. Совет по стандартизации, метрологии и сертификации, 2001.

8. ОсиповД.С. Учет нагрева токоведущих частей в расчетах потерь мощности и электроэнергии при несинусоидальных режимах систем электроснабжения: дис. ... канд. техн. наук. Омск, 2005.

9. Патент 2487363 РФ, МПК G01R 11/00. Счетчик ресурса трансформатора (варианты) /Ермаков В.Ф., Балыкин Е.С., Ермакова Е.В., Зайцева И.В., Коваленко А.Н. (РФ). - № 2011131664/28, заявл. 27.07.2011; опубл. 10.07.13, Бюл. № 19.

10. Ермаков В.Ф., Зайцева И.В., Горобец А.В. Комплексное исследование электрической нагрузки. Ростов н/Д: ЗАО «Книга», 2015. 176 с.

11. Брагин С.М. Электрический и тепловой расчет кабеля. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1960. 328 с.

12. Математическая модель процесса изменения температуры нагрева проводника / В.А. Гудзовская, В.Ф. Ермаков, Е.С. Балыкин, И.В. Зайцева // Изв. вузов. Электромеханика. 2012. № 2. С. 42 - 43.

13. Патент 2467337 РФ, МПК G01R 11/00. Измеритель потерь мощности (варианты) / Балыкин Е.С., Воротниц-кий В.Э., Ермаков В.Ф., Ермакова Е.В. Зайцева И.В. Коваленко А.Н. - № 2011106441/28, заявл. 21.02.2011; опубл. 20.11.12, Бюл. № 32.

ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.

TECHNICAL SCIENCE. 2018. No 4

References

1. Pospelov G.E., Sych N.M. Poteri moshchnosti i energii v elektricheskikh setyakh [Power and energy losses in electrical networks]. Moscow: Energoizdat, 1981, 216 p.

2. Vorotnitskii V.E., Zhelezko Yu.S., Kazantsev V.N. et al. Poteri elektroenergii v elektricheskikh setyakh energosistem [Electric power losses in electric networks of power]. Moscow: Energoatomizdat, 1983, 368 p.

3. Prikaz Ministra Energetiki RF ot 30 dekabrya 2008g №326 Ot organizatsii v Ministerstve energetiki Rossiiskoi Federatsii raboty po utverzhdeniyu normativov tekhnologicheski poter' elektroenergii pri ee peredache po elektricheskim setyam [Order of the Minister of Energy of the Russian Federation of December 30, 2008 №326 from the organization in the Ministry of energy of the Russian Federation works on approval of standards of technological losses of electricity during its transmission over electric networks]. Moscow, 2008, pp. 14 - 24.

4. Zhelezko Yu.S., Artem'ev A.V., Savchenko O.V. Raschet, analiz i normirovanie poter' elektroenergii v elektricheskikh setyakh: Rukovodstvo dlya prakticheskikh raschetov [Calculation, analysis and rationing of power losses in electrical networks: a Guide for practical calculations]. Mosocw: Publ. NTs ENAS, 2004, 80 p.

5. Zhelezko Yu.S. Poteri elektroenergii. Reaktivnaya moshchnost'. Kachestvo elektroenergii: Rukovodstvo dlya prakticheskikh raschetov [Loss of electricity. Reactive power. Power quality: a guide to practical calculations]. Moscow: ENAS, 2009, 456 p.

6. Barybin Yu.G. Spravochnik po proektirovaniyu elektricheskikh setei i elektrooborudovaniya [Reference design of electrical networks and electrical equipment]. Moscow: Energoizdat, 1981, 406 p.

7. GOST14209-97 Rukovodstvo po nagruzke silovykh maslyanykh transformatorov [State Standart 14209-97. Guide for loading oil-immersed power transformers]. Minsk: Mezhgosud. Sovet po standartizatsii, metrologii i sertifikatsii, 2001.

8. Osipov D.S. Uchet nagreva tokovedushchikh chastei v raschetakh poter' moshchnosti i elektroenergii pri nesinusoidal'nykh rezhimakh sistem elektrosnabzheniya. Diss. kand. tekhn. nauk [Accounting for heating of current-carrying parts in the calculation of power losses and electricity in non-sinusoidal modes of power supply systems. Cand. techn. sci.diss.]. Omsk, 2005.

9. Ermakov V.F. at el. Schetchik resursa transformatora (variant) [Resource counter transformer (options)]. Patent RF, no. 2487363 RF, 2013.

10. Ermakov V.F., Zaitseva I.V., Gorobets A.V. Kompleksnoe issledovanie elektricheskoi nagruzki [Comprehensive study of electrical load]. Rostov na-Dony: ZAO "Kniga", 2015, 176 p.

11. Bragin S.M. Elektricheskii i teplovoi raschet kabelya [Electrical and thermal design of the cable]. Moscow-Leningrad: Gosen-ergoizdat, 1960, 328 p

12. Gudzovskaya V.A., Ermakov V.F., Balykin E.S., Zaitseva I.V. Matematicheskaya model' protsessa izmeneniya temperatury nagreva provodnika [Mathematical model of the process of changing the temperature of the conductor heating]. Izv. vuzov. Elektromekhanika=Russian Electromechanics, 2012, no. 2, pp. 42 - 43. (In Russ.)

13. Balykin E.S.et al. Izmeritel'poter'moshchnosti (varianty) [Measuring the power loss (variants)]. Patent RF, no.2467337 RF, 2012.

Поступила в редакцию /Received 03 июль 2018 г. / July 03, 2018