Произведенная на крупных источниках (ТЭС, котельные) энергия должна быть доставлена потребителям. Основные виды потребляемой энергии - электроэнергия и теплота.
Потребители электроэнергии имеются повсюду. Производиться же она в сравнительно немногих местах, близких к источникам топливо- и гидроресурсов. Электроэнергию не удаётся консервировать в больших масштабах. Она должна быть потреблена сразу же после получения. Поэтому возникает необходимость в передаче электроэнергии на большие расстояния.
Качество электроэнергии, кроме силы потребляемой тока и подведенного напряжения, характеризуется еще двумя важными параметрами:
частота (должна быть 50 герц, отклонения даже на 0.1 Гц ухудшает работу многих приборов и аппаратов);
"косинус фи" - косинус угла между векторами напряжения и силы тока: этот параметр называется еще коэффициентом мощности, т.к. он равен отношению активной мощности к полной.
Таким образом, для контроля электроэнергии, отпускаемой потребителю, необходимо иметь следующие приборы: амперметр, вольтметр, частотомер, измеритель cosц, электросчетчик. Особенность электроэнергии как товара - непосредственное потребление произведенного, т.к. в электроснабжении пока нет аккумуляторов соответствующей мощности. Поэтому необходимо согласовывать выход энергии у производителя, расходование у потребителя, потери при транспортировке. Естественно, мероприятия по энергосбережению немыслимы без правильного учета потоков энергии. При ухудшении качества электроэнергии потребитель вправе требовать уменьшение ее цены. Электрическая энергия распределяется по линиям электропередач ЛЭП.
Линия электропередачи (ЛЭП) - электроустановка для передачи электрической энергии на расстояние, состоящая из проводников тока и вспомогательных устройств. ЛЭП является одним из основных звеньев электрических систем и вместе с электрическими подстанциями образуют электрические сети.
Линии электропередачи могут быть переменного или постоянного тока, воздушными или кабельными, различного электрического напряжения и конструктивного исполнения. Современные электропередачи сверх и ультравысокого напряжения представляют собой "электронные мосты" длиной тысячи - сотни километров, соединяющие мощные электростанции, где концентрированно производится электроэнергия, с крупными центрами энергопотребления.
Выбор номинального напряжения ЛЭП определяется передаваемой мощностью и расстоянием; различают ЛЭП низкого (до 1кВ), среднего (3…35 кВ), высокого (110…220 кВ), сверхвысокого (330…1000 кВ) и ультравысокого (более 1000 кВ) напряжения. Повсеместно используются главным образом трехфазные ЛЭП переменного тока. На рис.2.1 представлена схема основной электрической сети энергосистемы Республики Беларусь.
Рисунок 2.1 - Схема основной электрической сети энергосистемы Республики Беларусь
Перемещение любых материальных предметов из одного места в другое требует затрат энергоносителей. При их переиещении с помощью автотранспорта расходуется бензин или другие углеводороды, с помощью электродвигателей - электроэнергия и т.п. Электрическая же энергия является единственным видом продукции, которая для своего перемещения на сотни километров от электрических станций к потребителям расходует часть самой себя, не требуя для этого других ресурсов.
Для понимания уникальности процесса транспортировки электроэнергии целесообразно сравнить его с процессом транспортировки тепловой энергии. Часть тепловой энергии в процессе транспортировки так же теряется - уходит через тепловую изоляцию труб (изоляция не может быть идеальной). Эти потери являются технологическими (неизбежными), они не могут быть устранены полностью, хотя могут быть уменьшены улучшением изоляции труб, в том числе и с помощью их замены на трубы из более совершенных материалов, что требует больших капиталовложений. Вместе с тем такие потери не совершают полезной работы по транспортировке самой тепловой энергии по трубам: ее транспортировка осуществляется за счет расхода другой энергии (электрической), потребляемой двигателями насосных станций. Иногда трубы разрушаются, и горячая вода хлещет наружу. К этой части потерь термин "потери" применим в полной мере.
Потери при транспортировке электроэнергии имеют совсем другие свойства. Технологические (неизбежные) потери электроэнергии совершают полезную работу. А ситуаций, когда электроэнергия "хлещет наружу" из проводов, физически не может быть.
Фактические (отчетные) потери электроэнергии определяют как разность электроэнергии, поступившей в сеть, и электроэнергии, отпущенной из сети потребителям. Эти потери включают в себя составляющие различной природы: потери в элементах сети, имеющие чисто физический характер, расход электроэнергии на работу оборудования, установленного на подстанциях и обеспечивающего передачу электроэнергии, погрешности фиксации электроэнергии приборами ее учета и, наконец, хищения электроэнергии путем воздействия на счетчики, неуплату или неполную оплату показаний счетчиков и т. п. Применение ко всем этим составляющим, особенно к последней, термина "расход" представляется не вполне адекватным.
С позиций логики к технологическому расходу можно бесспорно отнести технические потери в элементах сети и расход электроэнергии на собственные нужды (СН) подстанций. Эти процессы сопровождаются физическим расходом энергии. Физическим расходом энергии являются и ее хищения, однако эту составляющую потерь нельзя отнести к технологическому расходу, так как хищения электроэнергии не являются особенностями технологического процесса передачи электроэнергии. Система учета электроэнергии состоит из измерительных трансформаторов тока (ТТ), напряжения (ТН) и собственно приборов учета. Эти устройства не могут быть идеальными и, как будет показано в дальнейшем, отрицательные погрешности измерительных устройств, приводящие к недоучету электроэнергии, являются объективным, физически объяснимым их свойством. И хотя погрешности приборов физически не изменяют количество энергии, а лишь неточно отражают его, они являются элементами технологического процесса. Поэтому недоучет электроэнергии, обусловленный погрешностями устройств системы учета, также относится к технологическим потерям.
Вместе с тем технологический расход может быть нерационально большим. При этом к его нерациональной части применение термина "потери" имеет определенную логику.
Разделение потерь на составляющие может проводиться по разным критериям: характеру потерь (постоянные, переменные), классам напряжения, группам элементов, производственным подразделениям и т. п. Для целей анализа и нормирования потерь целесообразно использовать укрупненную структуру потерь электроэнергии, в которой потери разделены на составляющие исходя из их физической природы и специфики методов определения их количественных значений. На основе такого подхода фактические потери могут быть разделены на четыре составляющие:
1) технические потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям и выражающимися в преобразовании части электроэнергии в тепло в элементах сетей. Теоретически технические потери могут быть измерены при установке соответствующих приборов, фиксирующих поступление и отпуск электроэнергии на рассматриваемом объекте. Практически же оценить действительное их значение с приемлемой точностью с помощью средств измерения нельзя. Для отдельного элемента это объясняется сравнительно малым значением потерь, сопоставимым с погрешностью приборов учета. Например, измерение потерь в линии, фактические потери энергии в которой составляют 2 %, с помощью приборов, имеющих погрешность +0,5 %, может привести к результату от 1,5 до 2,5 %. Для объектов, имеющих большое количество точек поступления и отпуска электроэнергии (электрическая сеть), установка специальных приборов во всех точках и обеспечение синхронного снятия их показаний практически нереальна (особенно для определения потерь мощности). Во всех этих точках счетчики электроэнергии и так установлены, однако мы не можем сказать, что разность их показаний и есть действительное значение технических потерь. Это связано с территориальной разбросанностью многочисленных приборов и невозможностью обеспечения полного контроля правильности их показаний и отсутствия случаев воздействия на них других лиц. Разность показаний этих приборов представляет собой фактические потери, из которых следует выделить искомую составляющую. Поэтому можно утверждать, что измерить технические потери на реальном сетевом объекте нельзя. Их значение можно получить только расчетным путем на основе известных законов электротехники;
2) расход электроэнергии на СН подстанций, необходимый для обеспечения работы технологического оборудования подстанций и жизнедеятельности обслуживающего персонала. Этот расход регистрируется счетчиками, установленными на трансформаторах СН подстанций;
3) потери электроэнергии, обусловленные погрешностями ее измерения (недоучет электроэнергии, метрологические потери). Эти потери получают расчетным путем на основе данных о метрологических характеристиках и режимах работы приборов, используемых для измерения энергии (ТТ, ТН и самих электросчетчиков). В расчет метрологических потерь включают все приборы учета отпуска электроэнергии из сети, в том числе и приборы учета расхода электроэнергии на СН подстанций;
4) коммерческие потери, обусловленные хищениями электроэнергии, несоответствием показаний счетчиков оплате электроэнергии бытовыми потребителями и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением энергии. Коммерческие потери не имеют самостоятельного математического описания и, как следствие, не могут быть рассчитаны автономно. Их значение определяют как разницу между фактическими потерями и суммой первых трех составляющих.
Три первые составляющие укрупненной структуры потерь обусловлены технологическими потребностями процесса передачи электроэнергии по сетям и инструментального учета ее поступления и отпуска. Сумма этих составляющих хорошо описывается термином технологические потери. Четвертая составляющая - коммерческие потери - представляет собой воздействие "человеческого фактора" и включает в себя все проявления такого воздействия: сознательные хищения электроэнергии некоторыми абонентами с помощью изменения показаний счетчиков, потребление энергии помимо счетчиков, неуплату или неполную оплату показаний счетчиков, определение поступления и отпуска электроэнергии по некоторым точкам учета расчетным путем (при несовпадении границ балансовой принадлежности сетей и мест установки приборов учета) и т. п.
Структура потерь, в которой укрупненные составляющие потерь сгруппированы по различным критериям, приведена на рис. 2.2.
Каждая составляющая потерь имеет свою более детальную структуру.
Нагрузочные потери включают в себя потери:
В проводах линий передачи;
Силовых трансформаторах и автотрансформаторах;
Токоограничивающих реакторах;
Заградителях высокочастотной связи;
Трансформаторах тока;
Соединительных проводах и шинах распределительных устройств (РУ) подстанций.
Последние две составляющие в силу отсутствия практики их поэлементных расчетов и незначительной величины обычно определяют на основе удельных потерь, рассчитанных для средних условий, и включают в состав условно-постоянных потерь.
Рисунок 2.2 - Структура фактических потерь электроэнергии
Электроэнергия - чистый и дорогой продукт, транспорт которого отработан достаточно совершенно; потери электроэнергии на ЛЭП сопоставлены с затратами, уменьшающие их. Потери активной и реактивной энергии на ЛЭП переменного тока составляют порядка 10%, постоянного тока - несколько меньше, и уменьшение потерь связано с перерасходом дорогих материалов и установкой сложного оборудования. Потребление энергии подразумевает преобразование у потребителя получение энергии в форму, требующуюся потребителю, или для создания определенных условий, продукта, действия (механическая энергия, химические преобразования, температурной уровень и т.д.). Электрическая энергия потребляется практически в момент ее выработки. Основные потребители - электродвигатели, нагреватели, аппараты химического производства, осветители. Чаще используется переменный трехфазный ток. При заданном напряжении для получения одной и той же мощности требуется тем большая сила тока, чем меньше cosц (угол между векторами тока и напряжения).
Увеличение силы тока приводит к потерям энергии на нагрев в соединяющих электрогенераторы и приемники линиях электропередачи и к дополнительной нагрузке генераторов, т.е. перерасход топлива на ТЭС. Поэтому используются специальные устройства между генераторами и приемниками - так называемые синхронные компенсаторы (это батареи конденсаторов или вращающаяся электромашина) - для компенсации сдвига фаз и увеличения cosц до 1. Для предприятий, потребляющих электроэнергию, должно быть cosц >0,9. Если используется двигатель, установленная мощность которого больше требуемой, cosц уменьшается, т.к. бесполезно "прокачивается" по обмоткам двигателя реактивная мощность, идущая на перемагничивание обмоток, не производящая механической работы (на что тратится активная мощность). Поэтому правильный подбор электродвигателей, особенно по мощности - важный фактор энергосбережения. При использовании электроэнергии для нагрева и ведения химических процессов следует уменьшать непроизвольные тепловые потоки и образования разного вида отходов.
Электрическая цепь состоит по меньшей мере из трех элементов: генератора, являющегося источником электрической энергии, и проводов, соединяющих генератор и приемник.
Электрические станции зачастую расположены вдали от мест потребления электроэнергии. На десятки и даже сотни километров между электростанцией и местом потребления энергии протягивается воздушная линия передачи. Провода линии передачи укрепляются на столбах изоляторами, изготовленными из диэлектрика, чаще всего из фарфора.
С помощью воздушных линий, составляющих электрическую сеть, ток подводится к жилым и промышленным зданиям, в которых расположены потребители энергии. Внутри зданий электрическая проводка выполняется из изолированных медных проводов и кабелей и называется внутренней электропроводкой.
При передаче электроэнергии по проводам наблюдается ряд нежелательных явлений, связанных с сопротивлением проводов электрическому току. К этим явлениям относятся , потери мощности в линии, .
Потери напряжения в линии
При прохождении тока на сопротивлении линии создается падение напряжения. Сопротивление линии R л можно вычислить, если известны длина линии l (в метрах), поперечное сечение провода S (в квадратных миллиметрах) и удельное сопротивление материала провода ρ :
R л = ρ(2l/S)
(в формуле стоит цифра 2, так как нужно учесть оба провода).
Если по линии проходит ток l , то падение напряжения в линии ΔU л по закону Ома равно: ΔU л = IR л .
Так как в линии часть напряжения теряется, то в конце линии (в приемнике) оно будет всегда меньшим, чем вначале линии (ни зажимах генератора). Уменьшение напряжения на приемнике за счет падения напряжения в линии может нарушить нормальную работу приемника.
Пусть, например, лампы накаливания нормально горят при напряжении 220 В и подключены к генератору, дающему напряжение 220 В. Предположим, что линия имеет длину l = 9 2 м, сечение провода S = 4 мм 2 и удельное сопротивление ρ=0,0175.
Сопротивление линии: R л = ρ(2l/S) = 0,0175(2 х 92)/4 = 0,8 ом.
Если через лампы проходит ток I
= 10 А, то падение напряжения в линии составит: ΔU
л = IR
л = 10 х 0,8 = 8 В
. Следовательно, на лампах напряжение будет меньше напряжения генератора на 2,4 В: U
ламп = 220 - 8 = 212 В. Лампы будут горсть с недокалом. Изменение тока, проходящего через приемники, вызывает изменение падения напряжении в линии, в результате чего меняется и напряжении на приемниках.
Пусть в рассмотренном примере отключается одна из ламп, и ток в линии уменьшится до 5 А. При этом падение напряжения в линии уменьшится: ΔUл = IRл = 5 х 0,8 = 4 В.
На включенной лампе напряжение повысится до что вызовет заметное увеличение ее накала. Из примера видно, что включение или отключение отдельных приемником вызывает изменение напряжении па других приемниках за счет изменении падении напряжения в линии. Рассмотренными явлениями объясняются колебания напряжении, часто наблюдаемые в электрических сетях.
Влияние сопротивления линии на величину напряжения сети характеризуют относительной потерей напряжения. Выраженное в процентах отношение падении напряжения в линии к нормальному напряжению называется относительной потерей напряжения (обозначается ΔU %):
ΔU % = (ΔU л/U) х100%
По существующим нормам провода линии должны быть рассчитаны так, чтобы потери напряжения но превосходили 5%, а при осветительной нагрузке не превышали 2 - 3%.
Потери энергии
Часть электрической энергии, вырабатываемой генератором, переходит в тепловую и бесполезно затрачивается в липни, вызывая нагрев проводив. В результате энергия, получаемая приемником, всегда меньше энергии, отдаваемой генератором. Точно так же мощность, затрачиваемая в приемнике, всегда меньше мощности, развиваемой генератором.
Потери мощности в линии можно вычислить, зная силу тока и сопротивление линии: P потерь = I 2 R л
Чтобы характеризовать экономичность передачи энергии, определяют коэффициент полезного действия линии , под которым понимают отношение мощности, полученном приемником, к мощности, развиваемой генератором.
Так как мощность, развиваемая генератором, больше мощности приемника на величину мощности потерь в линии, то коэффициент полезного действия (обозначается греческой буквой η - эта) вычисляется, как: η = P полезн/(P полезн + P потерь)
где, Рполезн - мощность, затрачиваемая в приемнике, Рпотерь - потери мощности в линий.
Из ранее рассмотренном примере при силе тока I = 10 А потери мощности в линии (R л = 0,8 Ом):
Рпотерь = I 2 R л = 10 2 х0 ,8 = 80 Вт.
Полезная мощность Рполезн = U ламп х I = 212х 10 = 2120 Вт.
Коэффициент полезного действия η = 2120/(2120 + 80) = 0,96 (или 96%), т.е. приемники получают лишь 96% энергии, вырабатываемой генератором.
Нагрев проводом
Нагрев проводов и кабелей за счет тепла, выделяемого электрическим током,- вредное явление. При длительной работе в условиях повышенной температуры изоляция проводов и кабелей стареет, становится хрупкой и крошится. Разрушение изоляции недопустимо, так как при этом создается возможность соприкосновения оголенных частей проводов друг с другом и так называемого короткого замыкания.
Прикосновение к оголенным проводам может вызвать поражение электрическим током. Наконец, чрезмерное повышение температуры провода может привести к воспламенению его изоляции и к пожару.
Чтобы нагрев не превосходил допустимой величины, нужно правильно выбирать сечение проводов. Чем больше сила тока, тем большее сечение должен иметь провод, так как с увеличением сечения уменьшается сопротивление, а следовательно, уменьшается количество выделяемого тепла.
Выбор сечения проводов по нагреву производится по таблицам, в которых указано, какой силы ток может проходить по проводу, не вызывая недопустимого перегрев а. Иногда указывают допустимую плотность тока, т. е. величину тока, приходящуюся на один квадратный миллиметр поперечного сечения провода.
Плотность тока Ј равна силе тока (в амперах), деленной на поперечное сечение провода (в квадратных миллиметрах): Ј = I/S а/мм 2
Зная допустимую плотность тока Ј доп, можно найти необходимое сечение провода: S = I/Јдоп
Для внутренней электропроводки допустимая плотность тока составляет в среднем 6 А /мм2.
Пример . Необходимо определить сечение провода, если известно, что ток, проходящий через него, должен быть равен I = 15 А , а допустимая плотность тока Јдоп - 6 А мм 2 .
Решение . Необходимое сечение провода S = I/Јдоп = 15/6 = 2,5 мм 2
В процессе энергоснабжения потребителей неизбежно возникают потери электроэнергии. Их величина определяет эффективность работы энергосетей и в значительной мере оказывает влияние на тарифы. Учитывая постоянно возрастающую стоимость энергоресурсов, учет потерь электроэнергии и их минимизация представляют собой одну из основных задач для ресурсоснабжающих организаций и потребителей.
Виды потерь электроэнергии
Потери электроэнергии условно разделяют на технологические и коммерческие. Технологические потери возникают в связи с тем, что в процессе передачи электроэнергии определенная ее часть преобразуется в тепловую энергию. Также имеет место расход электроэнергии на обеспечение функционирования оборудования подстанций. Полностью устранить технологические потери невозможно. Их снижение достигается за счет совершенствования технологических процессов и модернизации энергетического оборудования. При этом необходимо отметить, что эти потери пи передаче электроэнергии не относятся к прямым убыткам снабжающих предприятий. Они включаются в тарифы на электроэнергию.
Более сложно дело обстоит с коммерческими потерями. Они возникают в результате оборота электроэнергии как товара. При этом основная их часть связана с безучетным потреблением, что не позволяет предъявить оплату кому-либо из потребителей. Расчет потерь электроэнергии этого типа осуществляется путем вычитания технологических потерь из фактических потерь. При этом они никак не возмещаются и относятся на убыток энергопоставщика либо на законопослушных потребителей.
Среди основных видов коммерческих потерь можно выделить следующие:
- потери, связанные с погрешностями при учете (недостаточный класс точности, неисправности приборов учета, ошибки при снятии показаний или их умышленное искажение и т.д.);
- потери электроэнергии в электрических сетях, связанные с хищениями;
- потери при выставлении счетов, связанные с отсутствием точной информации о потребителях и действующих для них условий потребления энергии;
- потери при востребовании оплаты (долговременные долги, значительные разрывы во времени между выставлением счета и оплатой и т.д.).
Снижение потерь
Снижение потерь электроэнергии является одной из важнейших задач для любой снабжающей организации. Причем в первую очередь речь идет о коммерческих потерях.
Ключевым направлением для минимизации коммерческих потерь электроэнергии является совершенствование ее учета. Только замена старых счетчиков на более современные позволяет увеличить сбор средств за электроэнергию на 10-20 % за счет повышения достоверности учета. Однако максимальный эффект в этом направлении возможен только при кардинальном повышении точности сбора данных и исключении человеческого фактора. Это достигается путем внедрения автоматизированного учета при помощи АСКУЭ, разработкой и внедрением которых занимается наша компания. Помимо точного учета потребления электроэнергии, разрабатываемые нами АСКУЭ позволяют выявлять случаи хищения и несанкционированного подключения потребителей к сети. Это позволяет успешно преодолевать подавляющее большинство факторов, провоцирующих коммерческие потери при передаче электроэнергии.
