CC BY
31
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.316.016.25
В.М. Ефременко, Р.В. Беляевский
О ВЛИЯНИИ ПЕРЕТОКОВ РЕАКТИВНОИ МОЩНОСТИ НА ПАРАМЕТРЫ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ
В современных условиях дефицита энергетических ресурсов все более важную роль на промышленных предприятиях приобретают проблемы энергосбережения. Принятый Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности ...» [1] и Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [2] призваны обеспечить реализацию на промышленных предприятиях потенциала организационного и технологического энергосбережения. По данным [2] в настоящее время потенциал энергосбережения в промышленности составляет 13-15 % от общего объема электропотребления. При этом значительная его часть обусловлена высокими потерями электроэнергии в промышленных электрических сетях. В связи с этим важным направлением энергосбережения на промышленных предприятиях является снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. Проведение мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях промышленных предприятий позволит не только в значительной степени реализовать указанный потенциал энергосбережения, но и получить существенную экономию энергетических ресурсов за счет сокращения объемов непроизводительного расхода электроэнергии.
Значительное влияние на потери электроэнергии в электрических сетях оказывают перетоки реактивной мощности. Поскольку на промышленных предприятиях большинство электроприемников наряду с активной мощностью потребляет также и реактивную (причем в зависимости от характера электроприемников их реактивная нагрузка может составлять до 130 % активной нагрузки [3]), то перетоки реактивной мощности в промышленных электрических сетях могут быть весьма существенными. Вместе с тем наличие значительных перетоков реактивной мощности в электрических сетях приводит не только к увеличению потерь электроэнергии, но и к снижению их пропускной способности, увеличению потерь напряжения и др. Рассмотрим более подробно влияние перетоков реактивной мощности в электрических сетях на данные параметры систем электроснабжения промышленных предприятий.
Полный ток I, потери мощности АР и потери
напряжения Аи в элементах электрической сети связаны с активной и реактивной нагрузками сети следующими соотношениями [3, 4]:
I =
у1р 2 + о2 = рУГ+?г
л/эи "
ф.
Р2 + о2 АР = -—К =
л/3и
Р2 (1 + tg2 Ф
(1)
К; (2)
Аи =
РК + ох = РК (1 + ktgф)
(3)
ии
где Р - активная мощность, передаваемая по сети, кВт; 0 - реактивная мощность, передаваемая по сети, кВАр; и - номинальное напряжение электрической сети, кВ; К и X- активное и индуктивное сопротивления электрической сети соответственно, Ом; tgф = 0/Р - коэффициент реактивной мощности; к = Х/К - расчетный коэффциент.
Из формул (1) - (3) следует, что значение каждого параметра I, АР и Аи определяется как активной, так и реактивной мощностью, передаваемой по сети. Используя величину П в качестве общего обозначения данных параметров, а величину П0 в качестве обозначения их значений, соответствующих tgф = 0, определим долю значения П, обусловленную передачей по сети реактивной мощности, по формуле:
По_
П
(4)
Подставив в (4) значения параметров I, АР и Аи, определенные по формулам (1) - (3), и произведя соответствующие преобразования, получим:
й1 = 1 -
1
I
1 + tg2 ф
2
1 + tg ф
1
(5)
(6)
(7)
1 + ktgф
На рис. 1 приведены графики зависимости й = f(tgф), построенные по результатам расчетов й1, йАР и йАи, выполненных по формулам (5) - (7) при
1
Рис. 1. Графики зависимости ё = /^ф):
1 - йг = /^ф); 2 - ёАр различных значениях коэффициента реактивной мощности tgф, характеризующего соотношение потребления активной и реактивной мощности отдельными электроприемниками (группой электроприемников). Представленные графики зависимости отражают характер изменения а/, ёдР и
при изменении величины реактивной мощности, передаваемой по сети.
Из графика зависимости ё1 = f(tgф) (кривая 1) следует, что передача реактивной мощности по электрическим сетям существенно снижает их пропускную способность, уменьшая возможность передачи по ним активной мощности. Анализ показывает, что даже при поддержании в промышленных электрических сетях предельного (нормативного) значения коэффициента реактивной мощности tgф = 0,4, установленного Приказом Минпромэнерго от 22.02.2007 № 49 [5], их пропускная способность снижается более чем на 10 %. При дальнейшем увеличении tgф происходит еще большее снижение пропускной способности электрических сетей, что приводит к необходимости увеличения сечений проводов и кабелей, повышения номинальной мощности или числа силовых трансформаторов, а, следовательно, и к росту капитальных затрат и эксплуатационных расходов на промышленные электрические сети.
График зависимости йЬР = J(tgф) (кривая 2) показывает, что перетоки реактивной мощности также оказывают значительное влияние и на потери мощности и электроэнергии в промышленных электрических сетях. При передаче по ним реактивной мощности возникают дополнительные нагрузочные потери мощности и электроэнергии в элементах электрических сетей (в линиях электропередачи, силовых трансформаторах и др.). При этом, как следует из графика зависимости ёдР = /(tgф), при предельном значении tgф = 0,4 потери мощности и электроэнергии в электрических
=Шф); 3 - ёАи = /^ф)
сетях увеличиваются почти на 15 %. При увеличении коэффициента реактивной мощности выше предельного значения потери мощности и электроэнергии в электрических сетях возрастают, и при tgф = 0,7 увеличение потерь мощности и электроэнергии составляет более 30 %, что приводит к дополнительному, не вызванному потребностями производства расходу электроэнергии на промышленных предприятиях.
Еще большее влияние перетоки реактивной мощности оказывают на режимы напряжения в промышленных электрических сетях. Из графика зависимости = f(tgф) (кривая 3) следует, что
при передаче реактивной мощности по электрическим сетям потери напряжения в них увеличиваются. На сегодняшний день потери напряжения, обусловленные передачей реактивной мощности, составляют около 30 % суммарных потерь напряжения в электрических сетях 6-10 кВ и около 70 % в сетях более высоких уровней напряжений [3]. Происходящее при этом снижение напряжения в электрических сетях приводит к еще большему увеличению потерь электроэнергии и снижению пропускной способности элементов электрических сетей. Так, анализ основных технических характеристик силовых трансформаторов [6] показывает, что для них характерны значения коэффициента к = 20-30, поэтому потери напряжения в трансформаторах практически полностью определяются величиной передаваемой реактивной мощности. Кроме влияния на экономические показатели электрических сетей, передача реактивной мощности может привести и к нарушению технических ограничений по допустимым напряжениям в узлах электрических сетей.
Таким образом, перетоки реактивной мощности оказывают значительное влияние на параметры систем электроснабжения промышленных предприятий. При этом как следует из графиков
зависимости, представленных на рис. 1, даже при предельном значении коэффициента реактивной мощности tgф = 0,4 пропускная способность электрических сетей снижается, а потери электроэнергии и потери напряжения в них существенно возрастают. Поэтому значение tgф на промышленных предприятиях в общем случае должно стремиться к нулю. В связи с этим важной практической задачей является снижение перетоков реактивной мощности в промышленных электрических сетях.
Для снижения перетоков реактивной мощности и уменьшения вызываемых ими отрицательных последствий на промышленных предприятиях должна осуществляться компенсация реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности обеспечивает соблюдение условия баланса реактивной мощности, способствует снижению потерь электроэнергии в электрических сетях, увеличению их пропускной способности, позволяет осуществлять регулирование напряжения за счет применения компенсирующих устройств и др. С этой точки зрения компенсация реактивной мощности может рассматриваться как достаточно эффективное направление энергосбережения на промышленных предприятиях. Кроме того, проведение мероприятий по компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях будет также в значительной степени способствовать снижению потерь электроэнергии и увеличению пропускной способности районных распределительных сетей за счет их разгрузки по реактивной мощности вследствие снижения перетоков реактивной мощности.
Мероприятия по компенсации реактивной мощности, проводимые на промышленных предприятиях, могут быть разделены на две группы: организационные и технические.
Организационные мероприятия связаны с естественным уменьшением потребляемой электроприемниками реактивной мощности, достигаемым за счет оптимизации режимов их работы, и не требуют применения специальных компенсирующих устройств. Поэтому при решении вопроса компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях данные мероприятия должны рассматриваться в первую очередь, т. к. для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат. К числу организационных мероприятий относятся: рациональный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу, замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности, ограничение длительности холо-
стого хода асинхронных двигателей, повышение качества их ремонта, замена или отключение в период малых нагрузок силовых трансформаторов и др. Как показывают исследования, необходимость проведения подобных мероприятий обусловлена тем, что при снижении загрузки асинхронных двигателей и силовых трансформаторов происходит значительное увеличение относительного потребления ими реактивной мощности [7, 8]. В условиях наблюдаемого в России в последние десятилетия спада объемов промышленного производства, при котором системы электроснабжения промышленных предприятий эксплуатируются не в номинальном режиме, и имеет место низкий уровень загрузки электрооборудования [9], необходимость проведения организационных мероприятий по компенсации реактивной мощности, очевидно, еще более возрастает.
Технические мероприятия заключаются в установке компенсирующих устройств в соответствующих точках системы электроснабжения промышленного предприятия. При этом выбор мест установки компенсирующих устройств является оптимизационной задачей, цель которой заключается в нахождении такого решения, которое обеспечивает максимальный экономический эффект при соблюдении всех технических условий нормальной работы электрических сетей и электрооборудования. Для формализации данной задачи могут быть использованы различные математические методы оптимизации. В первом приближении одним из наиболее эффективных методов решения задачи оптимизации размещения компенсирующих устройств является использование транспортной задачи линейного программирования.
Таким образом, максимальный экономический эффект от компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях может быть достигнут при правильном сочетании различных мероприятий (организационных и технических), которые должны быть технически и экономически обоснованы. Проведение мероприятий по компенсации реактивной мощности позволит значительно уменьшить перетоки реактивной мощности в промышленных электрических сетях. Снижение перетоков реактивной мощности в свою очередь приведет к уменьшению потерь электроэнергии и потерь напряжения в электрических сетях, увеличению их пропускной способности и будет способствовать реализации на промышленных предприятиях потенциала организационного и технологического энергосбережения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Российская Федерация. Законы. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации [Текст] : фе-дер. закон : [принят Гос. Думой 11 ноября 2009 г. : одобр. Советом Федерации 18 ноября 2009 г.]. - (Актуальный закон).
2. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года [Текст] : утв. Правительством Рос. Федерации 13.09.2009.
3. Железко, Ю. С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. - М. : ЭНАС, 2009. - 456 с.
4. Инструкция по организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям : утв. Приказом М-ва энергетики Рос. Федерации № 326 от 30.12.2008 : ввод в действие с 30.12.2008.
5. Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения) : утв. Приказом М-ва промышленности и энергетики Рос. Федерации № 49 от 22.02.2007 : ввод в действие с 20.04.2007.
6. Ефременко, В. М. Анализ зависимости коэффициента реактивной мощности от коэффициента загрузки силовых трансформаторов / В. М. Ефременко, Р. В. Беляевский // Вестник КузГТУ, 2010. - № 1. -С. 107-109.
7. Ефременко, В. М. Анализ влияния нагрузки силовых трансформаторов на потребление реактивной мощности / В. М. Ефременко, Р. В. Беляевский // Вестник КузГТУ, 2009. - № 6. - С. 46-48.
8. Беляевский, Р. В. Анализ влияния коэффициента загрузки асинхронных двигателей на потребление реактивной мощности // Вестник КузГТУ, 2010. - № 6. - С. 66-69.
9. Ефременко, В. М. Анализ коэффициента загрузки силовых трансформаторов в электрической сети промышленного предприятия / В. М. Ефременко, Р. В. Беляевский // Вестник КузГТУ, 2010. - № 6. -С. 69-71.
□ Авторы статьи:
Ефременко Владимир Михайлович
- канд. техн. наук, ст. научн. сотр., зав. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ, тел.8-904-999-0817 E-mail: [email protected]
Беляевский Роман Владимирович
- ассистент каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ, тел. В-950-5В4-7б72 E-mail: [email protected]
УДК 621.3.051.3
Р.Б. Наумкин
ПРИМЕНЕНИЕ КОРРЕКТИРУЮЩИХ КОЭФФИЦИЕНТОВ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ НАИМЕНЕЕ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНЫХ УЧАСТКОВ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ
В связи с проведением реформ в электроэнергетике возникло большое количество территориальных сетевых организаций, оказывающих потребителям услуги по транспорту электрической энергии. Старение объектов сетевой инфраструктуры приводит к значительным перегрузкам линий электропередачи и электрооборудования, увеличению количество аварий, отказов и ремонтов оборудования, что в свою очередь создает неоптимальные режимы работы сетей и рост технических потерь, угрозу энергетической безопасности региона. Перед собственниками объектов сетевого хозяйства встает вопрос об определении элементов сети, требующих первоочередного вложения средств на реконструкцию и модернизацию.
Ввиду различия паспортных данных и фактических параметров электрооборудования представляет интерес введение корректирующих ко-
эффициентов для увеличения точности расчета потерь электроэнергии, учитывающих износ электрооборудования, ухудшение свойств контактных соединений, изменение конфигураций участков линий электропередачи в течение длительной эксплуатации и т. д. Расчет технических потерь электроэнергии с учетом корректирующих коэффициентов более точно отображает реальное состояние распределительных сетей и позволяет проводить целенаправленную модернизацию сетей с более высокой точностью.
Достаточно сложно определить увеличение уровня потерь в электрооборудовании при длительной эксплуатации в связи с многофакторной зависимостью. Нужно учитывать как длительность работы электрооборудования, так и условия эксплуатации, ненормальные режимы работы, погодные условия и т. д. Единственный способ
64
Р.Б. Наумкин
определения достоверных значений технический потерь - измерение фактических параметров (АРхх и АРкз для трансформаторов и Ял для воздушных линий электропередач).
В действительности данные параметры не определяются. Естественно, что измерять фактические параметры в разрезе каждого отдельного элемента распределительной сети не представляется возможным.
В связи с этим предлагается метод, основанный на среднем износе электрооборудования при длительной эксплуатации.
В качестве базового метода расчета технических потерь электроэнергии используется метод средних нагрузок. Потери рассчитываются по известным формулам [2, с.10-52]. Итоговые потери определяются как произведение технических потерь, рассчитанных с помощью лицензированных программных комплексов (РТП-3, Прогресс, РАП), и корректирующих коэффициентов.
Основная часть потерь холостого хода (ХХ) -потери в силовых трансформаторах. Анализ проведенных исследований показал, что потери ХХ не остаются постоянными в течение времени эксплуатации, а изменяются по формуле:
АЖ ' = k -АЖ , (1)
хх хх хх’
где АЖхх - расчетные технические потери холостого хода, кВт-ч; А Жхх ’ - скорректированные технические потери холостого хода, кВт-ч; кхх -корректирующий коэффициент потерь ХХ.
Коэффициент кхх учитывает увеличение потерь в стали на вихревые токи и на гистерезис и определен при помощи [5], вычисляется согласно таблице. Для определения промежуточных значений коэффициента применяется метод интерполяции. Соответственно, чем больше срок эксплуатации силового трансформатора, тем выше скорректированные потери холостого хода. Формула (1) применима для отдельного трансформатора, в случае расчета потерь по участку сети в целом кхх определяется по усредненному времени эксплуатации электрооборудования:
т — і=1
ср ~
(2)
где ТСр - усредненное время эксплуатации электрооборудования, лет; Т - время эксплуатации отдельного трансформатора, лет; 8і - номинальная мощность і-того трансформатора, кВА.
Подавляющая часть нагрузочных потерь электроэнергии - потери на нагрев линий электропередач и обмоток силовых трансформаторов. Расчет нагрузочных потерь в трансформаторах рассчитывается аналогично АЖхх’ с использованием корректирующего коэффициента потерь на нагрев
обмоток трансформатора кнт:
ДЖ ' — к -АЖ,,,
(3)
Коэффициент Таблица. Корректирующие коэффициенты расчета потерь
Tср, лет к Лхх к нт к п-нл
< 5 1 1 1
10 1,05 1,05 1,05
20 1,15 1,10 1,12
30 1,25 1,14 1,20
40 1,35 1,18 1,27
> 40 1,4 1,2 1,3
кнт учитывает увеличение потерь вследствие изменения параметров обмоток трансформатора, увеличения вихревых токов в проводе и, главным образом, добавочных потерь в стенках бака и металлических частях конструкции. Значения кнт приведены с учетом [5]. В случае расчета потерь по участку сети в целом кнт также определяется по формуле (2).
Расчет нагрузочных потерь в линиях электропередач рассчитывается с учетом корректирующего коэффициента потерь на нагрев линий, учитывающего увеличение удельного сопротивления проводов с увеличением срока эксплуатации и определенного с учетом [4]:
АЖ ' = к -АЖ . (4)
нл нл нл ^ '
При расчете потерь по распределительной сети в целом коэффициент кнл определяется временем эксплуатации проводов каждого участка сети, а также сечением отдельного провода по формуле:
Ё Ї-Ц-Т
Т — і—і_____________
ср ~ п
Ё-^-ь,
і—1
(5)
где Тср - усредненное время эксплуатации линий, лет; Т - время эксплуатации отдельного участка сети, лет; - сечение отдельного участка сети,
; Ьі - длина отдельного участка сети,
км.
Суммарные нагрузочные потери электроэнергии прямо пропорциональны квадрату коэффициента формы графика нагрузки (к2ф), определяемого по формуле:
1+2к (6)
3к,
где кз - коэффициент заполнения графика нагрузки энергоустановки потребителя, о.е.
Р
кз = ~Т ’ (7)
мм
где РСр - среднеарифметическое значение нагрузки энергоустановки потребителя за установленный интервал времени, кВт; Pmax - максимальное значение нагрузки, кВт.
Допускается принимать величину k3=0,5 при отсутствии данных о форме графика нагрузки [2, с.43]. В действительности данные значения могут быть другими.
Предлагаем расчет потерь электроэнергии производить по типовым графикам нагрузки потребителей, определяемых для отдельного района электрических сетей.
Для этого следует сделать выборку потребителей по известным методам математической статистики (количество потребителей, выявляемых в ходе выборки, предлагается принимать не менее 60) и определяем k3i в разрезе отдельного потребителя и находим среднее значение коэффициента заполнения графика нагрузки.
Ввиду существенных различий, предлагаем анализировать отдельно графики нагрузки юридических и физических лиц. В этом случае k3 определяется:
k = k ,-d, + k -d , (8)
3 зф ф зюр юр’ V '
где k3ф - коэффициент заполнения графика нагрузки физических лиц, о.е.; dф - доля потребления электроэнергии физическими лицами в общем объеме, о.е.; k3KJp - коэффициент заполнения графика нагрузки юридических лиц, о.е.; dmp - доля потребления электроэнергии юридическими лицами в общем объеме, о.е.
Подставляя значение k3 в формулу (6), опре-
деляем квадрат коэффициента формы графика нагрузки к ф и находим корректирующий коэффициент суммарных нагрузочных потерь электроэнергии (кн):
кн = 0,75-кф. (9)
Итоговые нагрузочные потери электрической энергии определяются по формуле:
АЖ:= кн -(АЖнл'+АЖнт'). (10)
ВЫВОДЫ
1. Предложена система для расчета нагрузочных потерь и потерь холостого хода на основе корректирующих коэффициентов.
2.Предложен метод расчета потерь по типовым графикам нагрузки потребителей.
3.Введение данных коэффициентов позволяет увеличить достоверность расчета технических потерь, приблизив их к фактическим, а также повысить точность анализа и дальнейшего выявления наименее энергоэффективных участков сети. В качестве одного из методов проведения такого анализа предлагается использование метода, описанного в [3].
4. Точное определение вышеназванных участков позволит собственникам электрооборудования эффективно инвестировать средства в развитие сетевой инфраструктуры.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Железко, Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М. : ЭНАС, 2009. - 456 с.
2. Инструкция по организации в Министерстве энергетики РФ работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям. Утв. Приказом Минэнерго РФ № 326 от 30.12.2008.
3. Храмцов, Р.А. Анализ небалансов электроэнергии в распределительных сетях напряжением 10 кВ и критерии их оценки / Р. А. Храмцов, Р.Б. Наумкин // Вестник Кузбасского гос. тех. унив. - 2009, № 5. -С. 69-72.
4. Шкрабец, Ф.П. Влияние коррозии алюминия на электрические параметры ЛЭП / Ф.П. Шкрабец, П.Ю. Красовский // Гірнича електромеханіка та автоматика: Наук. - техн. зб. - 2007. - Вип. 79. - С. 3639.
5. Лизунов С.Д. Проблемы современного трансформаторостроения в России / С. Д. Лизунов, А.К. Лоханин // Электричество. - 2000, № 8 - С. 2-10.
□ Автор статьи:
Наумкин Роман Борисович, аспирант кафедры электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ.
Е-таі1: [email protected].
Тел. 8-950-263-50-76
