Изследване на загубите в силови трансформатори и анализ на тарифите за заплащане на

Върху нивото на загубите в дадена електроенергийна система влияят множество фактори, като големината на територията, взаимното разположение на основните енергийни ресурси и големите консуматори. За това направеното сравнение не може да се приеме като абсолютен критерий, но все пак от него е ясно, че загубите в нашата ЕЕС са значителни и съществува възможност за тяхното намаляване.

№ по редСранаЗагуби на ЕЕС,% по години199819992000200120021Португалия10,959,9911,0510,8310,812Турция10,29,809,611,3611,353България9,629,819,659,459,374Испания9,278,269,579,719,915САЩ8,98,68,48,78,86Италия 8,958,827,778,888,57Швеция8,48,277,468,538,318Великобритания8,097,748,038,187,979Чехословакия7,276,987,156,736,7710Франция6,476,286,446,786,1711Германия4,344,114,114,484,52

Загубите на елекрическа енергия са :

- технически - които се отделят в елементите на електрическта мрежа при преноса и трансформацията;

- търговски - дължащи се на грешки, обусловени от качествените характе- ристики на измервателните апарати.

При експлоатацията на мрежите техническите загуби за транспортирането и разпространението на електрическата енергия понякога превишава нормалните, което е резултат на отклонения от оптималния режим.

Мероприятията за намаляване на загубите са организационни и технически

Последните изискват значителни допълнителни капиталовложения. [3]

- оптимизиране на броя на включените трансформатори;

- експлоатация на електрическите мрежи при повишено напрежение;

- ускоряване на ремонта и профилактичните прегледи;

- оптимално разпределение на активната мощност между електрическите централи;

- симетриране на товарите между фазите при електрическите мрежи НН.

Стойностите на загубите при n включени в паралел еднакви трансформа- тора се определя по формула (1.25).

С нарастване на броя на включените трансформатори нарастват постоянните загуби в стоманата, но едновременно с това намаляват променливите загуби в намотките. С нарастването на n намалява наклона на кривите на променливите загуби. В точка А се изравняват загубите при един и два работещи трансформатора, а в точка B - съответно при два и три трансформатора в паралел. Както се вижда от фиг.2.1 при товар от 0 до S1 трябва да работи един трансформатор, при товар между S1 и S2 следва да работят два трансформатора в паралел, а при товар S > S2 да се включи и третият трансформатор. При намаляване на товара изключването става пак в същия ред. [3]

В общия случай при различни по мощност трансформатори в точката на равенство на загубите съответно при n и (n+1) включени трансформатора съществува зависимостта

µ § (2.1)

Фиг. 2.1 Загуба на активна мощност в зависимост от товара при различен брой включени трансформатори

1-един трансформатор; 2-два трансформатора в паралел; 3-три трансформатора в паралел
където µ §и µ § са съответно загубите на празен ход и на късо съединение за i-тия трансформатор;

µ § и µ § - съответно натоварване на i-тия трансформатор при n и (n+1) трансформатора;

µ § е номиналната мощност на i-тия трансформатор.

Тъй като работещите в паралел трансформатори имат еднакво напрежение на к.с. uкс %, сумарният товар се разпределя между тях пропорционално на номиналната им мощност. Ако сумарният товар се означи с S, натоварването на µ § при n и µ § при (n+1) включени трансформатора се дават с изразите

µ § и µ §. (2.2)

Като се заместят (2.2) в (2.1), се получава

µ § (2.4)

Ако трансформаторите са еднакви по мощност, (2.4) добива вида

µ § (2.5)

Дежурните в подстанциите е необходимо да следят измененията на товарите и всеки момент да поддържат включени оптималния брой трансформатори.

Трябва да се отбележи, че в редица заводски подстации трансформаторите не работят в паралел с цел да се намалят тоткове на късо сединение (т.к.с). В този случай, за да се работи с минимални загуби, е необходимо товарът на трансформаторите да е пропорцио- нален на номиналната им мощност. [3]

µ § µ §

където V % е отклонението на напрежението от номиналното в проценти:

µ § - загуби от активната проводимост;

µ § - загуби от капацитивната проводимост;

G ЁC активна проводимост

BT ЁC капацитивна проводимост.

Тъй като активната проводимост е пренебрежимо малка, работата на елект- ропроводите при повишено напрежение е съществен резерв за намаление на загубите на активна мощност и електрическа енергия. Ако електропровода се експлоатира при повишено с 7,5 % напрежение, от (2.6) следва, че загубите на активна мощност и електрическа енергия намаляват с около 13,5 %. Действител - ното намаление е по-голямо, тъй като в резултат на повишеното напрежение намаляват и загубите на реактивна мощност, а при електропроводите ВН нараства и генерираната реактивна мощност Qсл, с което се намалява пренасяната реактивна мощност.

Увеличението на напрежението не трябва да превишава 10 %, тъй като в електропроводите ВН нарастват силно загубите от корониране. При мрежи СВН трябва да се проведат допълнителни изследвания за определяне на оптималното повишение на напрежението, като се отчетат загубите от ефекта корона при различни метеорологични условия.

Нивото на напрежението оказва влияние и върху загубите на мощност и електрическа енергия в трансформаторите.

Загубите в намотките на трансформаторите са като при електропроводите - обратнопропорционални на квадрата на напрежението.

Загубите на активна мощност в магнитопровода на трансформатора са пропорционални на квадрата на напрежението[6]

µ § (2.7)

Намагнитващата мощност ДQм рязко нараства с повишаване на напрежени- ето [6]

µ § (2.8)

където ДPСТ и ДQмн са съответно активните и реактивните загуби в стоманата при номинално напрежение.

Ако трансформаторът се включи към отклонението, което съответства на подаденото напрежение, загубите в него няма да се променят.

Тъй като загубите в намотките зависят от натоварването, при слабо натова- рени трансформатори загубите на мощност и енергия се увеличават с нарастване на напрежението поради по-силното нарастване на загубите в проводимостите. При натоварвания, близки до номиналните, повишаване на напрежението води до намаляване на загубите на мощност и електрическа енергия.

Работата на електрическата мрежа при повишено напрежение се постига чрез:

- повишаване на напрежението на генераторите, като се въздейства на въз- буждането им;

- подходящо превключване на отклоненията на трансформаторите в пови- шаващите и понижаващите трансформатори. [3]

µ § (2.9)

където µ § е n-мерният вектор на активните мощности на ТЕЦ;

Тk ЁC стойността на часовия разход за производство на електрическа енергия в k-тата централа.

Ограничителното условие е съществуването на баланс на активните мощ- ностти във възлите

µ § (2.10)

където PС е активният товар на ЕЕС.

Съгласно метода на неопределените мощности на Лагранж, функцията има вида

µ § (2.11)

При решаване на проблема за оптимално разпределение на активните мощности трябва да се имат предвид не само разходните характеристики на електрическите централи, но и загубите на мощност в мрежата. Целевата функция трябва да отчита и възможността за захранване на потребителите от по-близко разположените електроцентрали, т.е. да се вземат под внимание и загубите при преноса

µ § (2.12)

където Mj е часовият разход за покриване на загубите на активна мощност при преноса на електрическа енергия в j-тия електропровод.

При отчитане загубите на активна мощност ДP в мрежата ограничителното условие, изразяващо се в уравнението за баланса на мощностите, приема вида

µ § (2.13)

След диференциране, условието за оптимално разпределение на активните мощности между електрическите централи се дава с израза

µ § (2.14)

където µ § е специфичния прираст на разходите на мощност в мрежата от мощността Pk.

Решавайки (n-1) уравнение от вида (2.14) съвместно с (2.13), се получава вектора на неизвестните мощности µ §. За това трябва да са известни разходните характеристики µ §, техните производни, а също и функциите, отразява- щи изменението на загубите на активната мощност в мрежата µ § и техните производни. Величините µ § са специфичните прирасти на разходите за единица допълнителна мощност с отчитане загубите на мощност в мрежата.

Определянето на зависимостта за прираста на загубите на мощността от изменението на товарите във възлите е свързано със значителни трудности. Оптималното разположение на мощностите в ЕЕС с отчитане загубите на активна мощност по преноса значително намалява загубите на електрическа енергия. [3]
2.2.5 Симетриране на товарите между фазите
Загубите на мощност и електрическа енергия в мрежи НН представляват значителен процент от общите загуби. Една от основните причини за всички за- губи в тази мрежи е неравномерното натоварване на фазите. Несиметрията в товарите на тези мрежи е неслучайна и случайна.

Неслучайната несиметрия се получава в резултат на неравномерното разпределение на мощността на косуматорите, захранвани от отделните фази. За отсраняване на тези несиметрия е необходимо, като при ново изграждани мрежи НН, така и след разширение на мрежите, да се следи за изравняване на тези мощности на потребителите, прикачени към отделните фази.

Случайната несиметрия в товарите на отделните фази се дължи на случай- ния характер на товарите на битовите потребители. Дори при еднакъв брй жили- ща, присъединени към всяка фаза, товарите на фазите в мрежите НН могат значително да се различават. За премахване на случайната несиметрия е необхо- димо периодично да се провежда измерване на товарите на отделните фази в ча ЁC совете на максимума.

За получаване на достоверните резултати, като се има предвид случайният характер на товарите, е необходима достатъчно представителна извадка от данни. Измерванията трябва да се провеждат в периодите на максимални и минимални товари, в часовете на сутрешния и вечерния връх, в продължение на около две седмици. След статистическата обработка се получават основните характеристи- ки на пофазните товари. При съществени разлики се налага консуматорите да се преразпределят с цел изравняване на товарите. [3]

По-съществени технически мероприятия, изискващи допълнителни средст- ва за намаляване на загубите на мощността и електроенергията, са:

- компенсиране на реактивните товари на потребителите;

- разместване на трансформаторите с цел оптималното им натоварване и замяна на стари с нови трансформатори;

- реконструкция на електрическите мрежи;

- определяне на броя на проводниците в една фаза в електропроводите СВН с отчитане на загубите от ефекта корона. [3]

Високоскоростните електродвигатели имат по-висок номинален cosц от нискоскоростните. Честотите на въртене на електродвигателите обаче се подбират съгласно изискванията на работната машина. Технологията на производство пък определя типа на електродвигателя.

Значително влияние върху фактора на мощността оказва степента на нато- варване на асинхронните двигатели. Консумираната от електродвигателите реактивна мощност се определя с израза

µ § (2.15)

kъдето ДQм са загубите на реактивна мощност в стоманата;

Pн и Qн ЁC съответно номиналната активна и реактивна мощност на електро- двиагателя.

Ако при номинален товар асинхронен двигател с мощност 28 kW има cosц=0,8, то при натоварване 50 % cosц=0,73. За да се увеличи фактора на мощността на промишленото предприятие е необходимо електродвигателят да съответста по мощност на задвижваната работна машина.

Следователно факторът на мощността на промишлените предприятия зависи от технологичния режим и много често е сравнителни нисък (от 0,65 до 0,7), като съществува тенденция за намаляването му. При някoи предприятия от областта на машиностроенето, характеризиращи се с ниско натоварване на електродвигателите, cosц дори е по-нисък от 0,6.

Комунално-битовите товари се състоят основно от електрически лампи и нагреватели. Този товар се приемаше за активен, тъй като до скоро се употребяваха само лампи с нажежаема жичка. За уличното осветление се използват газоразрядни лампи, които са много по икономични, а в промишленос- тта и в обществените сгради масово се внедряват луминесцентни лампи освен това поради наличието на хладилници и асансьори в жилищните блокове факторът на мощността cosц на комунално-битовите товари е около 0,94 - 0,96.

При ниски стойности на фактора на мощността преносната и разпределите- лителната мрежа се натоварват с големи реактивни мощности, в резултат на което се увеличават значително загубите на активна мощност и електрическа енергия. Необходимата реактивна мощност може да се произвежда и при самите потребители, което се нарича компенсиране на реактивна мощност. По този начин електрическата мрежа се освобождава от преноса на реактивна мощност.

Принципът на компенсиране на загубите на активна мощност и електри ЁC ческа енергия е пояснен на фиг.2.2. Преди компенсирането цялата реактивна мощност се пренася от генератора до потребителя (фиг.2.2а). След компенсир ЁC ането известна част от реактивната мощност Qk се произвежда на шините на потребителя (фиг.2.2б).

Фиг.2.2 Намаляване на загубите на мощност и електроенергия чрез компенсиране на реактивната мощност

а) преди компенсиране на реактивна мощност; б) след компенсиране на реактивната мощност
Загубите на мощност на електропровода при двата случая значително се различават:

µ § (2.16)

и

µ § (2.17)

В резултат на компенсирането се постига следният благоприятен ефект върху работата на ЕЕС:

- намаляват се загубите на активна мощност и електрическа енергия, тъй като те са обратно пропорционални на квадрата на фактора на мощността:

µ § (2.18)

и

µ § . (2.19)

Техническите съоръжения, с които се осъществява компенсирането на реактивната мощност, са: синхронни двигатели, кондензаторни батерии (КБ) и синхронни компенсатори (СК).

Синхронните двигатели могат да се използват за компенсиране на реактивните мощности в промишлените предприятия, където производствената технология позволява тяхното монтиране.

При компенсиране на реактивната мощност кондензаторните батерии имат съществени преимущества пред синхронните компенсатори. Те имат много малки загуби на активна мощност (0,3-0,5 %), специфичните капиталовложения за 1 kVA инсталирана кондензаторна мощност почти не се променят с изменението на мощността на компенсиращата уредба, която може да се изгражда поетапно. Капиталовложенията за СК силно зависят от мощността му, поради което поставянето на СК е рентабилно само при големи мощности на компенсиращото устройство. Експлоатацията на КБ е много по-опростена от тази на СК, чиято експлоатация е подобна на тази на синхронните генератори.

Мощността на компенсиращите уредба се определя, като се изхожда от средния активен товар Pср. Преди компенсирането средната реактивна мощност на консуматора е Qср, а реализираният фактор на мощността е така наречения естествен фактор на мощността cosце. В резултат на компенсирането трябва факторът на мощността да се повиши до желаната стойност cosцж. Като се изхожда от условието за икономичния пренос и разпределение на електрическата енергия и устойчивата работа на ЕЕС, cosцж се предписва около 0,93. Определянето на Qk се извършва от съотношенията

µ § и µ § (2.20)

След почленно изваждане на двата израза (2.20) се получава [3]

µ § (2.21)

Следователно

µ § (2.22)

Старите конструкции трансформатори са със значително по-големи загуби особено на празен ход и следва своевременно да се заменят с нови.

Загубите в трансформаторите 20/0,4 kV от ново поколение спрямо тези със стара конструкция са по малки ЁC на празен ход с (14-24) %, а в намотките със (7-11) % (за мощности от 100 до 1000 kVA). При трансформаторите ВН/СН тези съотношения са съответно от 27 до 37 % и от 0 до 7 %.
2.3.3 Реконструкция на електрическите мрежи
Разпределителните електрически мрежи се изграждат или работят като от- ворени радиални мрежи. Товарите постепенно нарастват и след определен период от време началните участъци от мрежата се претоварват и работят със значително повишени загуби на мощност и електрическа енергия. Периодично трябва да се следи натоварването и при необходимост да се провежда реконструкция, която се изразява в подмяната на по-малки с по-големи сечения на проводниците, или прекарване на успоредни електропроводи.

Поради значителната стойност на понижаващите подстанции 110/20 kV засега е икономочески целесъобразно да се ограничава техният брой. Това увеличава дължината на разпределителната мрежа 20 kV и в резултат наратстват загубите на електрическа енергия. В редица напреднали страни се изграждат компактни, евтини, автоматизирани понижаващите подстанции ВН/СН сперсо- нал на домашно дежурство. Това позволява да се увеличи броят на подстанциите 110/20 kV и съществено да се намали дължината на мрежата СН, с кото значително се намаляват загубите на електрическа енергия.

2.3.4 Намаляване на загубите от корониране в мрежи СВН

Атмосферни условия3xACO-5002xACO-500Увеличение,%Сухо време0,531,64309Дъжд, мокър сняг5,2320,57339Скреж20,3259,2291

Програмата дава възможност да се прецени, колко по-добри са сухите трансформатори от маслените, за не много високи мощност, защото при големите мощности не е целесъобразно да се използват сухи трансформатори.