CC BY
93
УДК 621.316 ББК 31.19
ВВ. КАРЧИН, ТВ. МЯСНИКОВА
СНИЖЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПУТЕМ УМЕНЬШЕНИЯ НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЭЛЕКТРОПОТРЕБЛЕНИЯ
Ключевые слова: электрические сети 0,38 кВ, потери электроэнергии, потери активной мощности, потери напряжения, характеристики графиков нагрузки, число часов использования максимума нагрузки, число часов наибольших потерь мощности, коэффициент активной мощности, коэффициент реактивной мощности.
В настоящее время тарифы на электроэнергию в РФ остаются на достаточно высоком уровне. К сожалению, тенденция последних лет показывает, что тарифы энергоснабжающих организаций каждый год неуклонно растут. Плата за потребленную электроэнергию в сумме с общедомовыми расходами абонентов составляет значительную сумму в ежемесячных расходах. В регионах с невысокими заработными платами отдельные квартиросъемщики не имеют возможности оплатить коммунальные услуги, особенно в отопительный сезон, вследствие этого долги могут копиться месяцами. Все это требует внимательного в целом отношения к потреблению электроэнергии, нахождению неоправданных потерь. Предложены исследование и анализ электрических нагрузок в жилом многоквартирном доме для определения эффективного потребления электроэнергии.
Жилищно-коммунальное хозяйство в нашей стране, в частности многоквартирные дома, имеет значительные возможности ресурсосбережения. Попробуем объяснить этот факт с разных сторон. С одной стороны, имеет место высокий износ инженерных коммуникаций и конструктивных элементов и, как следствие, высокий уровень потерь коммунальных ресурсов, в том числе и электроэнергии. С другой стороны, невысокая обеспеченность приборами учета, а это уже может стать причиной отсутствия у граждан стимула к энергосбережению. Кроме того, в нашей стране практически никогда не стоял вопрос ограничения ресурсопотребления.
В последнее время существенно увеличилось потребление реактивной мощности как электроприемниками промышленных предприятий из-за недостаточного использования компенсирующих устройств, так и коммунально-бытовыми потребителями в результате массового применения компьютерной техники и других новых типов электроприемников.
По некоторым оценкам, общее потребление Q приблизилось к 1 квар на 1 кВт Р [1, 3, 4]. В среднем, как следует из табл. 1 [5], Q коммунально-бытовых потребителей не превышает 40% потребляемой Р.
В настоящее время нашли широкое применение различные современные приборы (микроволновые печи, кондиционеры, стиральные и посудомоечные машины), оргтехника (компьютеры, факсы, ксероксы), люминесцентные (в том числе и энергосберегающие, так называемые КЛЛ) и светодиодные лампы. Анализ результатов измерений графиков Р и Q в распределительных сетях напряжением 10(6) кВ и 380 В, питающих жилые и административные районы нескольких городов в Московской области, показал несоответствие фактического значения tgф общепринятым данным более чем в 80% случаев [4]. В общей сложности рассмотрены результаты измерений на 32 распреде-
лительных подстанциях в сетях 6-10 кВ и 19 трансформаторных подстанциях в сетях 380 В. Наибольшее измеренное значение tgф в режиме наибольших нагрузок составило в сети 380 В - 0,85, а в сети 6-10 кВ - 0,76.
Пропускная способность сети определяется полной мощностью (5 = -Лт). Следовательно, большая зависимость возникает от характера протекающего тока. Из работы [5] видно, что при со8ф = 0,7 потребляемая Q по значению приблизительно сравнивается с Р.
В настоящее время реальные соотношения I и и резко отличаются от классической симметричной трехфазной системы. Замеры показывают, что полный спектр гармонических составляющих I и и содержит до 40-й гармоники.
Исследования французских инженеров-электриков показали, что при токах с коэффициентами искажения до 50% действующие значения тока возрастают до 15%, а потери на нагрев в элементах сети - до 23%. При коэффициенте искажения 100% действующие значения тока возрастает до 40%, а джоулевые потери (на нагрев) - до 100% [7].
Относительные потери электроэнергии в электрических сетях РФ составляют около 11%. К примеру, в промышленно развитых странах они составляют: в Финляндии 3%, Германии 4%, Японии 5%, Франции 5%, США 6%, Китае 6% [5].
Заметно возросло потребление индукционной мощности за счет увеличения числа различных электроприводов, стабилизирующих и преобразовательных устройств, что приводит к изменению формы кривой тока, ухудшает работу других электроприемников, сокращает срок их службы, создает дополнительные потери электроэнергии.
Известно, что электропотребление жилых домов в течение суток подвержено резким изменениям в короткие промежутки времени. На практике суточные графики нагрузок часто показывают значительную неравномерность, даже если при проектировании и планировании нагрузка была равномерно распределена по фазам.
Применение современных электроприемников, таких как холодильники, телевизоры, стиральные машины, посудомоечные машины и др., только ухудшают это положение. У этих приборов разные и часто случайные режимы работы, которые делают фазные нагрузки сетей несимметричными.
Чтобы выдерживать ежедневные резкие всплески, приходится постоянно держать определённое количество мощностей в резерве. Да и электрические сети нужно поддерживать в таком состоянии, чтобы они могли выдержать большую нагрузку. Поэтому в периоды наибольшей загрузки электричество стоит дороже.
При установке многотарифного счетчика можно получить экономию на оплате за электричество, потреблённого в ночные или дневные часы. Чем больше дефицит электроэнергии в данной местности, чем меньше резервов энергомощностей и больше зависимость от поставок из других областей, тем выгоднее для потребителей условия многотарифного учета.
Если в многоквартирном доме установлен однотарифный прибор учета, то потребление электроэнергии происходит по одноставочному (однозонно-му) тарифу с 00.00 до 24.00, т.е. круглосуточно. А при наличии двухтарифно-го прибора учета потребление электроэнергии происходит по тарифу, диффе-
ренцированного по двум зонам суток: дневная (с 07.00 до 23.00) и ночная (с 23.00 до 07.00).
Схемное решение по организации учета электроэнергии в жилых и общественных зданиях представлено на рис. 11.
йяаяси ггшиш кйцэтц}
05цедана£т нщэизкп
\ Г S во | ов
| _ _i
Рис. 1. Схема учета потребления электроэнергии в жилых домах до 9 этажей включительно
Естественно, что для мотивации и экономической целесообразности потребления электрической энергии ночью ночной тариф (с 23-00 до 7-00) по стоимости значительно ниже, чем дневной или одноставочный (однозонный).
Продемонстрируем это на примере многоквартирного дома в г. Йошкар-Ола. На рис. 2 построен график электрической нагрузки многоквартирного дома в г. Йошкар-Ола по ул. Анникова. Дом введён в эксплуатацию в 1997 г. В нем введена автоматизированная система коммерческого учета, регулирования и диспетчеризации (АСКУРДЭ «НИИ ИТ-ЭСКО»), которая автоматизирует процессы сбора, учета и регулирования энергопотребления, контроля и управления техническими параметрами энергоресурсов с диспетчерского пункта, анализа аварийных ситуаций [6]. Режим тарификатора электросчётчика - однотарифный. График построен по показаниям счётчика «Меркурий 230».
Приведенный суточный график потребления электрической энергии относится к зимнему периоду (замеры проводились 02.01.2016 г.).
Максимум нагрузки жилых домов по ул. Анникова приходится на период с 16.00 до 20.00 ч - так называемый вечерний максимум. Утренний максимум нагрузки меньше вечернего и составляет 62,7% вечернего максимума. В сравнении с крупными промышленными предприятиями, работающими в три смены, доля осветительной нагрузки меньше, и суточный график нагрузки оказывается значительно равномернее.
1 РМ-2559. Инструкция по проектированию учета электропотребления в жилых и общественных зданиях [Электронный ресурс]. URL http://docs.cntd.ru/document/1200000473 (дата обращения: 28.05.2017).
P, Вт
800 700 600 500 400 300 200 100 0
697 721
517
378 393
320 1-
12 t, ч
16
20
24
Рис. 2. График нагрузки многоквартирного дома
Ночное потребление определяется в первую очередь потреблением холодильников. Остальное - это, скорее всего, бытовая техника, находящаяся в режиме ожидания. Нагрузка начинается увеличиваться с 04.00, когда жители начинают просыпаться. Основное потребление приходится на вечер, когда максимально используется электрооборудование квартир.
Ввиду широкого использования бытовых электрических приборов, которые имеют маломощные электрические двигатели, в доме по ул. Анникова с газовым типом плит коэффициент мощности во время вечернего пика составляет 0,984, в остальной период времени суток изменяется от 0,958 до 0,967 (рис. 3).
1,967
12 Ь ч
Рис. 3. Суточный график изменения коэффициента мощности
Из теории известно, что соотношение между полной и активной мощностями, выраженное через косинус угла между их векторами, называется коэффициентом мощности [2. С. 348].
Для квартир с плитами на природном газе коэффициент мощности должен быть 0,9б\ Из рис. 3 видим, что коэффициент мощности за сутки изменяется в пределах от 0,955 до 0,984.
4
8
1 РМ-2559. Инструкция по проектированию учета электропотребления в жилых и общественных зданиях [Электронный ресурс]. URL http://docs.cntd.ru/document/1200000473 (дата обращения: 28.05.2017).
Как было сказано выше, нагрузка многоквартирного жилого дома определяется применением однофазных электроприемников и характеризуется неравномерностью электропотребления.
Для того чтобы получить полные данные о показателях неравномерности электропотребления в указанном доме, проанализируем график нагрузки и определим характеристики неравномерности электропотребления (по рис. 1).
Электроэнергия, потреблённая домом за сутки (W), определяется непосредственным суммированием мощностей по графику электрической нагрузки и составляет 12 104 кВтч.
Время использования максимума (Ттах) равно 16,79 ч - это время, в течение которого при работе установки с максимальной нагрузкой из сети потребляется такое же количество электроэнергии, как и по реальному графику нагрузки, которое определено выражением
T __w_
max ,
* max
где Ртах - наибольшая нагрузка, определяемая по рис. 1.
Значение средней нагрузки (Рс) за сутки (Т = 24 ч) составляет 504,33 Вт. В связи с тем, что потери мощности пропорциональны квадрату нагрузки, определим среднеквадратичную (эффективную) нагрузку (Рт) за сутки по формуле
Рт _лНг~^Pj .
V T j_1
Значение Рт составляет 527,99 кВт. Найденные значения среднеквадратичной нагрузки и средней нагрузки позволяют определить коэффициент формы (ф) как отношение среднеквадратичной мощности к средней и составляет 1,04, а также коэффициент заполнения суточного графика (кз) - как отношение средней мощности к максимальной. Значение кз равно 0,7.
Таким образом, коэффициент неравномерности электропотребления (кнэ)
Р ■ 320 кнэ _ — _—_0,44.
Р 721
± max
Полученные показатели отражают значительную неравномерность и малую плотность электропотребления в многоквартирном доме по ул. Анникова в г. Йошкар-Ола в течение суток.
Приведённые расчёты подтверждаются графиками суточного распределения мощности по фазам многоквартирного дома по ул. Анникова, построенными по показаниям установленного счетчика (рис. 4). Анализ данных показывает явное неравномерное распределение нагрузки по фазам.
Установлено, что использование двухтарифных электросчетчиков позволяет напрямую стимулировать потребителей к экономному режиму использования электроэнергии и косвенно ведет к выравниванию суточных графиков нагрузки, что приводит к снижению потерь электроэнергии в сетях.
Определим энергоэффективность потребления электроэнергии при установке двухтарифного электросчётчика.
Для каждого региона Российской Федерации установлены тарифы на электроэнергию. Гарантирующим поставщиком электроэнергии на территории Марий Эл является ПАО «ТНС энерго Марий Эл». Тариф на электриче-
скую энергию (мощность), поставляемую населению и приравненным к нему категориям потребителей в Республике Марий Эл на первое полугодие 2016 г., показан в табл. 2.
Р, Вт
300 250 200 150 100 50 0
0 4 8 12 16 20 24
фаза А 93,9 82,8 111,8 203,7 181,2 255,5 147,3
^!^фаза В 141,1 140,6 177,5 252,2 282,9 235,4 156,7
фаза С 91,1 57 73,6 135,6 160,7 235,6 83,9
Рис. 4. Суточный график изменения мощности по фазам, Вт
Тариф на электрическую энергию в Республике Марий-Эл
Таблица 2
Одноставочный тариф Тариф, дифференцированный по двум зонам суток
дневная зона ночная зона
руб./кВт-ч (с НДС) руб./кВт-ч (с НДС) руб./кВт-ч (с НДС)
3,10 3,37 1,33
Как видно, разница между одноставочным тарифом и дневным тарифом составляет 27 коп., или 8%.
Суточное потребление электроэнергии в многоквартирном доме составило 12 104 Втч. При этом днем - 7740 Втч, ночью - 4364 Втч. Результаты свидетельствую о том, что более половины всей электроэнергии расходуется в период с 7 до 23 ч.
Проведем расчет затрат на электроэнергию при различных режимах тарификатора. При одноставочном тарифе стоимость 12 104 Вт-ч электроэнергии составит 37 522,4 руб., при двухставочном - 31 887,92 руб., в том числе 26 083,8 руб. - дневная зона и 5804,12 руб. - ночная зона.
Таким образом, экономия при установке двухтарифного счетчика электроэнергии составит 5634,48 руб., или 15%.
Несмотря на то, что экономия существенна, хотелось бы отметить следующий момент. Установка двухтарифного электросчётчика наиболее эффективна в домах, где есть устройства, которые можно включать в ночное время, т.е. основную часть электроэнергии придется тратить ночью.
Определим, какое потребление электроэнергии должно быть в ночное время, чтобы установка счётчика была эффективной. Расчет ведем по формуле
РО =__* -100%,
ОО - НО
+1
ДО - ОО
где ОО - стоимость одноставочного тарифа, руб./кВт-ч (с НДС); НО - стоимость дифференцированного по двум зонам суток тарифа в ночное время,
руб./кВт-ч (с НДС); ДО - стоимость дифференцированного по двум зонам суток тарифа в дневное время, руб./кВт-ч (с НДС);
При тарифах, указанных в табл. 1, ночное потребление энергии должно быть не менее 13% от общего (день + ночь), чтобы установка счетчика с двумя тарифами была выгодна.
Теперь узнаем, сколько на самом деле тратит электроэнергии многоквартирный дом ночью и днем. Определим фактическое отношение потребления электроэнергии днем и ночью. Для этого рассчитаем среднее значение дневного и ночного расхода. В нашем случае, дневной расход электроэнергии составляет 645 Вт, ночной - 363,7 Вт. Тогда средний фактический расход электричества ночью и днем будет равен 36%. То есть мы получили следующие результаты: ночное потребление, равное 13%, меньше фактического отношения потребления электроэнергии днем и ночью, которое составляет 36%, следовательно, установка двухтарифного электросчетчика выгодна.
Определим, на сколько снизятся потери в линии при установке двухта-рифного счётчика электроэнергии при тех же значениях коэффициента мощности и напряжения.
Расчет проведем исходя из предположения, что применение двухставоч-ного тарифа простимулировало потребителей к экономному режиму использования электроэнергии и привело к выравниваю графика нагрузки (табл. 3).
Таблица 3
Значения предполагаемой потреблённой активной мощности
Промежуток времени, ч Мощность Р, Вт
00.00-04.00 400
04.00-08.00 478
08.00-12.00 517
12.00-16.00 597
16.00-20.00 571
20.00-24.00 463
Расчет проведём по формулам:
- потери электроэнергии (Д'):
V 2
АЖ = 312 • г • г =--г • Г;
и2
- полная мощность (V):
V=Р/с08ф.
В первом случае, когда в многоквартирном доме не установлен двух-тарифный электросчётчик ДЖ1 = 30,6-гг; во втором (после выравнивания графика нагрузки) ДЖ2 = 25,5-гг. Следовательно, ДЖ2 = 0,83ДЖ1. Потери уменьшились на 17%.
Таким образом, в многоквартирном доме по ул. Анникова в городе Йошкар-Ола по результатам анализа определена значительная неравномерность и малая плотность электропотребления. Тем самым есть определённая необходимость в учете имеющейся неравномерности для выбора параметров электрической сети. Здесь стоит учитывать, что неравномерность уменьшается по мере подсоединения большего числа квартир, что также учитывается при по-
строении суточного графика нагрузки многоквартирных жилых домов. Установлено, что использование двухтарифных электросчетчиков позволяет напрямую стимулировать потребителей к экономному режиму использования электроэнергии. В данном случае ночное потребление электроэнергии должно составлять не менее 13% от общего (день + ночь). Это, в свою очередь, косвенно ведет к выравниванию суточных графиков нагрузки, что приводит к снижению потерь электроэнергии в сетях.
Общие рекомендации. Для введения двухтарифного учёта в многоквартирных домах, имеющего целью выравнивание нагрузок, потребителям электроэнергии предлагается использовать отдельные бытовые электроприборы с повышенной потребляемой мощностью (например, стиральные машины) в ночное время. При этом ночной тариф на электроэнергию ниже в 2-2,5 раза по отношению к дневному тарифу.
Литература
1. Коверникова Л.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Качество электроэнергии в ЕЭС России. Текущие проблемы необходимые решения // Электроэнергиия. Передача и распределение. 2016. № 2(35). С. 28-38.
2. МансуровН.Н., ПоповВ.С. Теоретическая электротехника. М.; Л.: Энергия, 1965. 624 с.
3. Паули В.К. Реактивная мощность - состояние, проблемы, задачи // Новое в российской энергетике. 2006. № 1. C. 25-34.
4. Силаев М.А., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Влияние режимов работы энергосистем на несинусоидальность и несимметрию напряжений в магистральных электрических сетях // Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление: сб. ст. Всерос. конф. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2015. С. 189-194.
5. Шведов Г.В., Сипачева О.В., Савченко О.В. Потери электроэнергии при ее транспорте по электрическим сетям: расчет, анализ, нормирование и снижение. М.: Изд. дом МЭИ, 2013. 424 с.
6. Энергосервисная компания 3Э: сайт. URL: http://www.esco3e.ru/ (дата обращения: 28.05.2017).
7. Яковлев Г.Н. Актуальные проблемы надежности и качества электроснабжения электроустановок зданий и сооружений // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2016. № 6. C. 8-10.
КАРЧИН ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (karchinvv@gmail.ru).
МЯСНИКОВА ТАТЬЯНА ВЯЧЕСЛАВОВНА - кандидат педагогических наук, доцент кафедры автоматизированных электротехнологических установок и систем, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (tatyanamyasnikova@yandex.ru).
V. KARCHIN, T. MYASNIKOVA
DECREASE OF POWER LOSSES THROUGH REDUCTION OF POWER CONSUMPTION
Key words: electric networks of 0,38 kV, power losses, active power loss, tension loss, characteristics of load diagram, number of hours to use of a maximum of loading, number of hours of the greatest power losses, coefficient of active power, coefficient of reactive power.
Now electricity rates in the Russian Federation remain at rather high level. Unfortunately, the tendency of the recent years shows that rates of the power supplying organizations steadily grow every year. The payment for the consumed electric power together with all-
house users' expenses makes the considerable sum in monthly expenses. In regions with low salaries certain tenants have no opportunity to pay utilities, especially during a heating season therefore debts can be saved for months. All this demands thorough attention in general relation to electricity consumption, finding unjustified losses. The research and the analysis of electric loadings in the inhabited multi-apartment house for definition of effective electricity consumption are offered.
References
1. Kovernikova L.I., Tul'skii V.N., Shamonov R.G. Kachestvo elektroenergii v EES Rossii. Te-kushchie problemy neobkhodimye resheniya [The quality of electricity in the UES of Russia. Current problems needed solutions]. Elektroenergiiya. Peredacha i raspredelenie [Electricity. Transmission and distribution], 2016, no. 2(35), pp. 28-38.
2. Mansurov N.N., Popov V.S. Teoreticheskaya elektrotekhnika [Theoretical electrical engineering]. Moscow, St. Petersburg, Energiya Publ., 1965. 624 p.
3. Pauli V.K. Reaktivnaya moshchnost' - sostoyanie, problemy, zadachi [Reactive power - state, problems, tasks]. Novoe v rossiiskoi energetike [New in the Russian energy sector], 2006, no. 1, pp. 25-34.
4. Silaev M.A., Tul'skii V.N., Shamonov R.G. Vliyanie rezhimov raboty energosistem na nesinu-soidal'nost' i nesimmetriyu napryazhenii v magistral'nykh elektrichekikh setyakh [Influence of operating modes of power systems on non-sinusoidal and unbalanced voltages in main electric networks]. Energeti-ka Rossii v XXI veke. Innovatsionnoe razvitie i upravlenie: sb. st. Vseros. konf. [Proc. of Rus. Conf. «Energy of Russia in the 21st century. Innovative development and management»]. Irkutsk, 2015, pp. 189-194.
5. Shvedov G.V., Sipacheva O.V., Savchenko O.V. Poteri elektroenergiipri ee transporte po elek-tricheskim setyam: raschet, analiz, normirovanie i snizhenie [Loss of electricity during its transportation through electric networks: calculation, analysis, rationing and reduction]. Moscow, MEI Publ., 2013, 424 p.
6. Energoservisnaya kompaniya 3E: saite [Power company 3E: site]. Available at: http://www.esco3e.ru (Accessed 28 May 2017).
7. Yakovlev G.N. Aktual'nye problemy nadezhnosti i kachestva elektrosnabzheniya elektroustano-vok zdanii i sooruzhenii [Actual problems of reliability and quality of power supply for electrical installations of buildings and structures]. Elektro. Elektrotekhnika, elektroenergetika, elektrotekhnicheskaya pro-myshlennost' [Electro. Electrical engineering, electric power industry, electrotechnical industry], 2016, no. 6, pp. 8-10.
KARCHIN VICTOR - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department of Power Supply and Technical Diagnostics, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola (karchinvv@gmail.ru).
MYASNIKOVA TATYANA - Candidate of Pedagogical Sciences, Assistant Professor, Department of Automated Electrotechnological Installations and Systems, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (tatyanamyasnikova@yandex.ru).
Ссылка на статью: Карчин В.В., Мясникова Т.В. Снижение потерь электроэнергии путем уменьшения неравномерности электропотребления // Вестник Чувашского университета. -2017. - № 3. - С. 90-98.
