Особенности расчета потерь электроэнергии в кабельных электрических сетях Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.316.11

ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В КАБЕЛЬНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Воронина Е. В., Хлебникова М. В., Хлебникова Н. В. Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону, Российская Федерация vev_94katerina@,mail. ш [email protected]

UDC 621.316.11

ELECTRIC LOSS CALCULATION FEATURES IN ELECTRIC POWER CABLE SYSTEMS Voronina E. V., Khlebnikova M. V., Khlebnikova N. V. Don State Technical University Rostov-on-Don, Russian Federation vev_94katerina@mail. ru [email protected]

Рассматривается влияние емкостных токов кабельных линий на установившийся режим городской сети и потери электроэнергии. Предложена упрощенная схема замещения для расчета потерь электроэнергии в кабельных линиях. Выполнена оценка погрешностей, возникающих при переходе к упрощенной схеме замещения.

Ключевые слова: распределительные электрические сети, потери электроэнергии, схемы замещения кабельных линий.

The article considers the influence of capacitive currents of cable lines on the urban network mode and power loss. A simplified replacement scheme is proposed for calculating electric power losses in cable lines. The estimation of the errors arising in transition to a simplified scheme of substitution is made.

Keywords: electrical distribution system, power losses, cable lines replacement schemes.

Введение. Объектом данного исследования является городская электрическая сеть. Существенная ее часть состоит из кабелей 10(6)°кВ. Особенность эксплуатации кабельных линий (КЛ)

— значительные емкостные токи. Например, в кабельной сети, питающейся от центральной подстанции 110/10°кВ, суммарная протяженность КЛ составляет 141,507°км, а емкостные токи замыкания достигают 50А на секцию центральной подстанции.

В схемах замещения линий при расчетах установившихся режимов сетей 10°кВ, как правило, пренебрегают активными и емкостными проводимостями на землю.

Целью работы является исследование влияния емкостной проводимости КЛ на величину нагрузочных потерь электроэнергии при различных нагрузках трансформаторов трансформаторных подстанций (ТП).

Для оценки влияния сформированы модели сети с учетом и без учета емкостных проводи-мостей КЛ. В расчетную схему вошли КЛ суммарной протяженностью 20,717°км.

Методика расчета потерь электроэнергии. Режимы работы распределительных сетей 10°кВ определяются нагрузками потребителей. Схема сети — разомкнутая, что позволяет выполнять расчеты для каждой распределительной линии 10°кВ.

Ежемесячно измеряется отпуск энергии на «голове» распределительной линии (фидера) и по некоторым ТП. Это позволяет рассчитывать потери электроэнергии методом средних нагру-зок°[1, 2], которые можно определить одним из способов:

— по данным ежемесячных замеров отпуска электроэнергии по ТП;

— разделив замер энергии на голове фидера пропорционально мощности трансформаторов ТП.

В основу метода средних нагрузок положены следующие соотношения, позволяющие определить потери электроэнергии при сопротивлении Я за период Г°[3]. При известном графике тока, протекающего по сопротивлению:

1

АШн - 3Я112(Г)С - 3ЯМ [12]Т - 3Я(Ы [I ])2 К^Т;

при известном графике напряжения на сопротивлении:

Т

АЖн - 3 Я112() сИ - 3ЯЫ [12]Т - 3Я (М [I ])2 к2¥ Т ,

0

где M — символ математического ожидания, среднего значения соответствующей величины за период Т; Кф — коэффициент формы графиков тока и напряжения.

Интегральные характеристики параметров режима головной ветви каждого фидера для месяца т определяются следующим образом°[4].

Среднее значение тока головной ветви фидера:

Ж

I = I т

срт 24 [3 п и К ' ^ 3 ^т исрт Л \уш

где У¥т — пропуск энергии по головной ветви фидера за месяц т; Пт — количество дней месяца т; исрт — математическое ожидание напряжения на шинах питающей подстанции месяца т;

Кшт — коэффициент, учитывающий корреляционную зависимость между модулем полной мощности и фазовым углом головной ветви (обычно принимается равным 0,97).

Составляется схема замещения рассматриваемого участка сети и рассчитываются активные и индуктивные сопротивления, поперечные проводимости, параметры элементов схемы замещения. Нагрузки в узлах схемы замещения сети, соответствующих шинам низкого напряжения трансформаторов ТП, определяются по формуле:

- эг с * 5н£

где 5н1 — номинальная мощность /-го трансформатора фидера; — сумма номинальных мощностей всех трансформаторов фидера; 5г - Жг/ Т — средняя за период Т мощность головной ветви фидера, МБ- А; Жг — энергия, пропущенная по головной ветви фидера за период Т, МБт-ч; Т

— период работы, час.

Выполняется расчет токораспределения по ветвям схемы замещения и напряжений в узлах

схемы.

Затем определяются потери:

— активной и реактивной мощности во всех ветвях, соответствующих участкам линий А £ л ^ ;

— нагрузочные в соответствующих трансформаторах ТП А £ тн £ .

Далее вычисляются потери А £ тп £ :

— холостого хода трансформаторов ТП;

— в изоляции кабелей.

После расчета установившегося режима при заданных 51 проверяется небаланс мощности в фидере

8 £ - £ -А, где А£ — суммарные потери мощности в фидере.

Если величина небаланса мощности в фидере недопустима, |8 <5 >е, (например, е, = 0,0001), то нагрузки трансформаторов ТП корректируются:

5:- 5 +а -8 5, где коэффициент релаксации а принят равным 0,5.

Исходя из расчета установившегося режима работы фидера определяются параметры схемы его замещения — Zлэ, Zтэ, Утэ, 4 - 1В/ 1Г (рис. 1) °[5]:

^лэ - А5£/1 ; ит - иг - Zэ - 1г;

Утэ-А5тпЛ т - 1г(1 -4) - Утэит;

Zтэ - А5тн:1 Тт ; 4 - Тг .

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения фидера

Потери энергии в схеме фидера — в линиях АЖл, нагрузочные АЖ¥ТН и постоянные А в трансформаторах определяются по эквивалентной схеме фидера:

АЖЛ - Zлэ - М[ТЛ ] Т; АЖТн - Zтэ - М^т ]т; АЖТП - Утэ - МуЛ ]- Т.

Величины 1л, 1т, Л1т согласно схеме замещения будут равны:

1л - АЛг + СП1Г , где Ал - 0, Сл - 1;

Тт - АнЛ^г + Сн1г , где Ан - - Утэ, Сн - 1 - 4 + Zлэ Утэ; Лт - АпЛЛг + СпТг , где Ап - 1, Сп - .

Математические ожидания квадратов модулей величин 1л, 1т, Л1т определяются по выра-

жению

МуУ]- АтМЛ] + СтМТт]+Т^ААуСуЖг] ,

где V — одна из указанных величин; Ау, Су — коэффициенты приведенных выше выражений; М^г] определяется по среднему току 1ср m и коэффициенту формы Кф1т; МцЛг ] рассчитывают

по Uср т и коэффициенту формы Кфи.

Параметры элементов схемы замещения фидера вычисляются по следующим форму-лам°[6]:

гл - г0 -1 / п, хл - х0 -1 / п, - гл + ]хл, Вл = Ьо1п, где г0,х0 — погонные сопротивления; п — число параллельных цепей; I — длина линии; Ь0 —

погонная производимость.

Алгоритм расчета. Расчет токораспределения в ветвях схемы замещения выполняется в описанной ниже последовательности0^].

1. По замерам отпущенной за расчетный интервал Т час активной и реактивной энергии Жа , Ж и среднему значению напряжения ицп вычисляются активная и реактивная составляющие

тока головного участка

Здесь

"г ср "г ср акт

+ Д

г ср реакт '

I

Ж

г ср акт

л/3 •ицп • Т

I

-Ж

г ср реакт

л/3 • ицп • Т

2. Составляющие тока головного участка распределяются пропорционально номинальным мощностям трансформаторов, подключенным к фидеру. Узловые токи будут равны:

с

J = I

г ср т

г=1

Здесь 0ном к — номинальная мощность трансформатора в к-м узле. Величина тока Jk корректируется на величину емкостного тока на землю в узле К.

3. По уравнению первого закона Кирхгофа вычисляются токи в ветвях схемы замещения I с , начиная с наиболее удаленных от центра питания ветвей.

4. По найденным в п. 3 токам ветвей определяются нагрузочные потери активной мощности в линиях АР, (г = 1,2,.../); АР/ = 31; 2-гл1.

5. Суммарные потери во фидере равны:

АРял =1Ар.

6. Определяются напряжения в узлах схемы сети:

и2 = ицп - л/3-112£л1, и3 = и2 -^312з1л2 и т. д.

7. Токи нагрузки трансформаторов определяются по величине узлового тока Jk и параметрам холостого хода трансформаторов:

1к = Jk -

С др IX ^

_хх к _J хх к ном к

ик 100^ ик У

8. Нагрузочные потери активной мощности в трансформаторе равны:

ДРн к = 3ДРкз к

( и 2"2 л

о 2

V Пт коном к У

где п Тк — число параллельно работающих трансформаторов в узле к.

9. Условно постоянные потери активной мощности в трансформаторах сети вычисляются по формуле:

ДРх к =ДРх к

и

V ином У

Здесь Рхх к Ркз к — потери холостого хода и короткого замыкания в трансформаторе к-го ТП.

Результаты экспериментов. Изложенная методика использована для расчета нагрузочных и условно постоянных потерь электроэнергии в 10 фидерах 10°кВ. Расчеты выполнены при равномерном распределении нагрузок между трансформаторами 10/0,4°кВ. Рассмотрены два уровня нагрузки каждого трансформатора: 100 % номинальной мощности (вариант А) и 60 % номинальной мощности (вариант Б). В варианте А параметры схем замещения отдельных линейных участков фидера определялись по (1). В варианте Б емкостная проводимость линейных участков приравнена к нулю (В = 0).

Результаты расчетов приведены в табл. 1.

Таблица 1

Потери электроэнергии в кабельных линиях

Фидер № Потери энергии в ЛЭП; Д Жлэп нагр., МВт-ч при нагрузке в 100 % Потери энергии в ЛЭП; Д Жлэп нагр., МВт-ч при нагрузке в 60 %

В = Ь01п В = 0 Изм., % В = Ь01п В = 0 Изм., %

5 60,157 60,873 1,176 21,491 21,914 1,93

6 60,157 60,873 1,176 21,491 21,914 1,93

12 711,63 713,474 0,258 255,748 256,851 0,43

20 1971,506 1983,414 0,6 706,944 714,029 0,99

21 1514,505 1517,397 0,19 544,536 546,256 0,315

22 222,483 222,940 0,205 79,162 80,258 1,366

24 152,616 152,784 0,12 54,901 55,002 0,184

25 249,807 250,776 0,386 89,701 90,279 0,64

27 475,827 477,386 0,327 170,928 171,859 0,542

32 436,597 437,266 0,153 157,015 157,416 0,255

Всего 5855,285 5877,183 0,373 2101,917 2115,778 0,655

В табл. 1 процент изменения потерь электроэнергии по строке «Всего» при уровнях нагрузки каждого трансформатора: 100 % номинальной мощности и 60 % номинальной мощности (0,373 % и 0,655 %) определен с помощью изучения динамики и тренда итоговых показателей по-

5877,183 - 5855,285 1ЛЛП/ терь в сети в именованных единицах измерения, например - 100% = 0,373 %;

5855, 285

2115'778 - 2101-917 100% = 0,655 % 2101,917

При емкостной проводимости В Ф 0 напряжения в узлах схемы замещения фидеров повышаются, что приводит к некоторому росту потерь электроэнергии в трансформаторах (холостого хода и нагрузочных). Потери нагрузочные ДЖтр нагр и холостого хода ДЖтр хх увеличиваются на доли процента (от 0,002 % до 0,009 %).

В основном, изменяются нагрузочные потери электроэнергии в КЛ (АЖЛЭп нагр). При использовании упрощенных схем замещения (В = 0) нагрузочные потери возрастают на 0,11 %-2,4 % в зависимости от уровня нагрузки сети.

Выводы

1. В результате проведенного авторами эксперимента установлено, что применение упрощенных схем замещения кабельных линий приводит к завышению нагрузочных потерь электроэнергии. При росте нагрузки сети снижается динамика роста потерь электроэнергии (в сравнении с эталонным уровнем).

2. Потери электроэнергии в трансформаторах ТП фидеров практически не изменяются при переходе к упрощенным схемам замещения КЛ.

3. Показана возможность применения предложенной авторами упрощенной схемы замещения при прогнозировании потерь электроэнергии.

Библиографический список

1. Кушнарев, Ф. А. Методика расчета технологического расхода электроэнергии в распределительных электроэнергетических сетях / Ф. А. Кушнарев, В. К. Хлебников // Изв. выс. учеб. заведений. Электромеханика. — 2000. — № 3. — С. 82.

2. Хлебников, В. К. Обновленная методика расчета норматива потерь электроэнергии при ее передаче субабонентам / В. К. Хлебников, Б. П. Золоев, И. Ф. Бураков // Изв. выс. учеб. заведений. Электромеханика. — 2009. — Спецвыпуск «Электроснабжение». — С. 92-93.

3. Воронина, Е. В. Economies and management in power engineering / Е. В. Воронина // Экономика и парадигма нового времени. — 2017. — № 2. — С. 5-7.

4. Хлебников, В. К. Снижение потерь электроэнергии при регулировании напряжения трансформатором / В. К. Хлебников, В. Ф. Кравченко, Б. П. Золоев // Изв. выс. учеб. заведений. Электромеханика. — 2012. — № 2. — С. 56-59.

5. Хлебников, В. К. Прогнозирование балансов электроэнергии при нормировании потерь в электрических сетях / В. К. Хлебников, Б. П. Золоев // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. — 2013. — № 1. — С. 16-18.

6. Хлебников, В. К. Некоторые вопросы совершенствования методической базы разработки нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям регулируемых организаций / В. К. Хлебников, Б. П. Золоев // Изв. выс. учеб. заведений. Электромеханика. — 2012. — № 2. — С. 59-61.

7. Семенов, А. А. Характеристики потерь электроэнергии в электрических сетях электроэнергетических систем / А. А. Семенов, В. К. Хлебников // Изв. выс. учеб. заведений. Электромеханика. — 2006. — № 6. — С. 14-17.