Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

ACCOUNTING CONDUCTOR TEMPERATURE INCREASED BANDWIDTH WHEN SELECTING MEASURES TO REDUCE ENERGY LOSS BY THE EXAMPLE OF REACTIVE POWER COMPENSATION

Bigun A.Ya. 1 Girshin S.S. 1 Petrova E.V. 1 Goryunov V.N. 1
1 Federal State Educational Government-financed Institution of Higher Professional Education «Omsk State Technical University»
В данной работе приведены результаты анализа экономической эффективности применения мероприятий по снижению потерь электрической энергии в электроэнергетической системе. Данный анализ проводился на примере компенсации реактивной мощности, которая является одним из методов повышения пропускной способности линий электропередач и снижения потерь в них. Оценка экономической эффективности осуществлялась на основе расчетов годовых приведенных затрат, при различных мощностях устройств компенсации реактивной мощности, с учетом и без учета температурной зависимости сопротивлений элементов электроэнергетической сети. Выбор устройств компенсации реактивной мощности осуществлялся по наименьшему значению годовых приведенных затрат, согласно общепринятым правилам. Были приведены исследования по определению срока окупаемости вводимого мероприятия по снижению потерь энергии в системе электроснабжения.
In the given work results of the analysis of economic efficiency of application of actions for decrease in losses of electric energy in an electropower system are resulted. The given analysis was spent on an example indemnification of jet capacity which is one of methods of increase of throughput of electric mains and decrease in losses in them. The economic efficiency estimation was carried out on the basis of calculations of the annual resulted expenses at various capacities of devices of indemnification of jet capacity with the account and without temperature dependence of resistance of elements of an electropower network. The choice of devices of indemnification of jet capacity was carried out on the least value of the annual resulted expenses, according to the standard rules. Researches by definition of a time of recovery of outlay of entered action for decrease in losses of energy in electrical supply system have been resulted.
reactive power compensation
temperature
measures to reduce energy losses
wire increased bandwidth

Важным направлением работ в электроэнергетике является повышение эффективности мероприятий, направленных на уменьшение потерь, а также улучшение качества электрической энергии [2, 3, 7, 9]. Целью данной статьи является обоснование необходимости увеличения точности определения потерь.

Одним из наиболее распространенных мероприятий по снижению потерь энергии в электрических сетях является компенсация реактивной мощности. Именно компенсация рассматривается в ряде работ в качестве экспертного мероприятия при обосновании эффективности повышения точности расчета потерь путем учета температурной зависимости сопротивлений сети [8]. Аналогичная задача для сети с проводами повышенной пропускной способности [4] решается в данной работе. Выбор оптимальных параметров компенсирующих устройств и нахождение сроков окупаемости проводятся на примере неразветвленной сети (рис. 1) с устройство компенсации реактивной мощности (УКРМ) на номинальное напряжение 10,5 кВ [8]. Условия проведения исследований представлены в табл. 1 [6, 10, 5].

схема

Рис. 1. Неразветвленная сеть: P, Q – активная и реактивная мощности нагрузки; Qку – реактивная мощность компенсирующего устройства, ИП – источник питания, W – линия

Таблица 1

Параметры проводов

Наименование и обозначение параметров

Численные значения (допущения)

Значение сопротивления проводов:

без учета нагрева

с учетом нагрева

сопротивление при 200С

вычисляется по формуле R=R0(1+atпр).

Погонное активное сопротивление провода АСПТ АТ1/20AS 50/8 при 20 ºC, Ом/км

0,5723

Радиус жилы провода АСПТ АТ1/20AS 50/8, мм

4,8

Температурный коэффициент сопротивления

0,00403 ºC-1

Степень черноты поверхности провода

0,6

Температура воздуха

1,7 ºC

Атмосферное давление

100000 Па

Скорость ветра

1 м/с

Средняя дневная сумма солнечной радиации, кВт∙ч/м2∙день

5,5 кВт∙ч/м2

Интегрирующий множитель, переводящий потери мощности в потери энергии, T

5000 ч (одинакова для потерь в линии и в УКРМ)

Стоимость электроэнергии Cэ

2,098 руб/(кВт∙ч)

Коэффициент приведения капиталовложений Ен

0,14 1/год

Норма ежегодных отчислений на ремонт, обслуживание и амортизацию электрооборудования ар

0,059

Удельные потери активной мощности в УКРМρуд

0,002 кВт/квар

Напряжение в узле нагрузки

не меняется

 

Температура провода при отсутствии УКРМ

близка к макси-мально допустимой, но не превышает её

При напряжении 6-10 кВ коэффициент реактивной мощности tgφ

0,4

Решение задачи

На первом этапе решается задача оптимального выбора УКРМ в узле 10 кВ, исходя из минимума приведенных затрат. Выбор параметров только высоковольтных УКРМ объясняется стремлением максимально упростить поставленную задачу. Упрощенный подход, принятый в работе [8], объясняется тем, что задачи оптимального выбора высоковольтной и низковольтной УКРМ условно независимы, так как при оптимальном выборе УКРМ (10 кВ) оптимальная мощность УКРМ (0,4 кВ) не зависит от параметров линии 10 кВ, а только является функцией параметров трансформатора 10/0,4 кВ, а также соответствующих удельных стоимостей и собственных потерь УКРМ обоих классов напряжений.

Поставленная задача оптимизации можно решать на базе приближенного выражения для годовых приведенных затрат [8].

(1)

где К – капиталовложения на установку УКРМ; Ен – коэффициент приведения капиталовложений; И – годовые эксплуатационные издержки; ар – норма ежегодных отчислений на ремонт, обслуживание и амортизацию электрооборудования; Сэ – стоимость электроэнергии; ΔРл и ΔРку – потери мощности соответственно в линии и в УКРМ; Т – интегрирующий множитель, переводящий потери мощности в потери энергии и имеющий размерность времени; U – напряжение сети; R – активное сопротивление линии; ρуд – удельные потери активной мощности в УКРМ.

Соотношение для нахождения оптимальных значений реактивной мощности устройств компенсации реактивной мощностибез учета и в случае учета температурной зависимости сопротивлений соответственно имеют вид [8]:

(2)

(3)

Анализ соотношений показывает, что оптимальная мощность УКРМ, определенная по уравнению (3), должна быть больше соответствующей величины, определенной по уравнению (2). Данный вывод обусловлен отрицательным значением, входящей в уравнение (3) производной активного сопротивления по мощности dR/dQку. Действительно при увеличении величина тока в линии становится меньше, а, следовательно, температура и активное сопротивление проводов уменьшаются. Исключением является случай, когда одновременно имеет место низкая загрузка линии при низкой температуре окружающей среды. Но с точки зрения величины потерь этот случай не заслуживает детального рассмотрения.

Вычисление температуры производилось на основе следующей математической модели теплового режима неизолированного провода [1]:

; ,

tпр2=а2I4+b2I2+c2 (4)

где Р – атмосферное давление, Па; d – диаметр провода, м2; kv – коэффициент учитывающий влияние угла направления ветра к оси провода; v – скорость ветра, м/с; a2, b2, c2 – коэффициенты аппроксимации; tпр – температура провода, °С; tв – температура воздуха, °С; R20 – удельное активное сопротивление постоянному току при 20°С, Ом/м; ak – коэффициент теплоотдачи конвекцией, Вт/м2°С; – степень черноты поверхности провода; C0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,67·10-8 Вт/м; I – рабочий ток;Ss – интенсивность солнечной радиации, Вт/м2.

Анализ результатов

Результаты исследований представлены в табл. 2 и рис. 2. Нахождение степени увеличения оптимальной мощности с учетом нагрева по отношению к оптимальной мощности без учета нагрева выполняется по формуле:

ε1=((Qку,оптt- Qку,опт)/Qку,оптt)100% (5)

а)

б)

Рис. 2. Зависимость годовых приведенных затрат от мощности УКРМ для провода АСПТ АТ1/20AS 50/8при мощности P=5000 кВт, Q=3600 квар а) при длине линии 0,4 км. б) при длине линии 1 км

 

Особенностями расчета приведенных затрат (рис. 2 и табл. 2) является то, что при нахождении затрат с учетом температуры и без учета температуры учитывалась стоимость потерь энергии, обусловленная передачей активной мощности. Так как значение активной мощности меняется при изменении сопротивления и температуры то и в первом и во втором случае она рассматривалась как переменная величина.

Таблица 2

Оптимальные мощности УКРМ для провода АСПТ АТ1/20AS 50/8 при мощностях нагрузки P=5000 кВт, Q=3600 квар

Длина

линии,

км

, квар

Стоимость УКРМ,

тыс. руб

, тыс. руб

, квар

, %

tgφ

tпр

°С

без учета

tпр

с учетом

tпр

без учета

tпр

с учетом

tпр

0,3

2250

488,8

627,556

789,182

2250

2700

17

0,3

103

2700

585,9

638,085

784,99

0,18

98,4

0,4

2250

488,8

788,583

1004,084

2250

2700

17

0,27

103

2700

585,9

793,033

988,907

0,18

98,4

0,6

2700

585,9

1102,93

1396,741

2700

3150

14

0,18

98,4

3150

673,1

1107,842

1385,954

0,09

96

0,8

2700

585,9

1412,827

1804,575

3150

3150

0

0,18

96

3150

673,1

1410,444

1781,261

0,09

96

3600

746,8

1424,826

1788,791

0

95,2

1

2700

585,9

1412,827

1804,575

3150

3150

0

0,18

98,5

3150

673,1

1410,444

1781,261

0,09

96

3600

746,8

1424,826

1788,791

0

95,2

Проведенные следования определяют следующие выводы:

1. Оптимальная мощность с учетом нагрева либо равна оптимальной мощности УКРМ без учета нагрева, либо превышает её. Среднее значение превышения , найденные по формуле (5) , по данным табл. 2, составляет 10 %.

2. Благодаря тому, что целевая функция в области оптимальных значений имеет пологий характер, увеличение оптимальных мощностей не приводит к аналогичному значительному экономическому эффекту.

3. Представленные выше значения экономической эффективности обусловлены только учетом нагрева. В целом экономический эффект от внедрения рассмотренного мероприятия может быть значительно больше за счет анализа всей сети (значения в таблице относятся к отдельным линиям) и улучшения температурного режима сети из-за уменьшения нагрузки.

Результаты исследования по определению срока окупаемости вводимого мероприятия по снижению потерь энергии можно оценить по формуле:

, (6)

где ИПМ и Иисх – годовые эксплуатационные издержки соответственно после ввода мероприятия и в исходном состоянии; Иа,ПМ и Иа,исх – составляющие издержек на амортизацию, обслуживание ремонт оборудования соответственно после ввода мероприятия и в исходном состоянии; WПМиWисх – потери электрической энергии после ввода мероприятия и в исходном режиме.

Проанализировав уравнение (6), можно сделать следующие выводы:

1. Если погрешности расчета δ(WПМ)иδ(Wисх) неодинаковы, то должны выполниться неравенства:

>>; (7)

>>. (8)

2. Погрешность нахождения для большинства случаев будет еще значительнее, так как разность имеет, как правило, отрицательные значения.

3. Первые два вывода проявляются при неучете температуры элементов сети, которая сама меняется в результате ввода мероприятия

Уменьшение потерь электрической энергии ΔW=(Δ Wисх -Δ WПМ) без учета и с учетом нагрева определяется соответственно уравнениями:

(9)

(10)

где и – активные сопротивления линии после и до ввода УКРМ, которые имеют разные значения из-за учета температурной зависимости.

Из соотношения (10) следует, что при учете температуры провода потери электрической энергии уменьшаются по следующим причинам:

1. За счет уменьшения передаваемой реактивной мощности.

2. В результате уменьшения активного сопротивления.

3. Благодаря сокращению потерь на передачу активной мощности.

В этом плане уравнение (9), записанное при допущении независимости сопротивления от температуры, является ограниченным, так как не позволяет учесть указанные факторы. Отдавая должное позитивности применения УКРМ с точки зрения уменьшения потерь, полезно оценить сроки окупаемости приведенных в табл. 2 УКРМ.

Результаты таких исследований с учетом и без учета нагрева представлены в табл. 3.

Погрешность определения сроков окупаемости, обусловленная неучетом нагрева , вычисляется по уравнению:

ε2=((Токt- Ток)/Токt)100% (11)

где и – сроки окупаемости УКРМ с учетом и без учета температуры.

Таблица 3

Стоимости и сроки окупаемости установки УКРМ для провода

АСПТ АТ1/20AS 50/8 при мощностях нагрузки P=5000 кВт, Q=3600квар

Длина линии, км

Расчет без учета tпр

Расчет с учетом tпр

ε2, %

 

Qку,опт, квар

Стоимость УКРМ,тыс. руб

Tок, лет

Qку,опт, квар

Стоимость УКРМ,тыс. руб

Tок, лет

0,3

2250

488,8

3,92

2700

585,9

1,66

136,1

0,4

2250

488,8

2,55

2700

585,9

1,17

117,9

0,6

2700

585,9

1,69

3150

673,1

0,82

106,1

0,8

3150

673,1

1,33

3150

673,1

0,6

121,7

1

3150

673,1

1,02

3150

673,1

0,5

104

Представленные в табл. 3 результаты вычислений по формуле (11) показывают, что минимальная погрешность срока окупаемости равна 104 %, максимальная – 136 %, средняя – 117 %. Факт соизмеримости средней погрешности с определяемой величиной свидетельствует о необходимости учета фактора нагрева при расчете сроков окупаемости установки УКРМ. Особую значимость приобретает учет нагрева при больших нагрузках элементов сети. Определение тенденций изменения погрешностей от типа провода и длины линии требует проведения дополнительных исследований.

Рецензенты:

Черемисин В.Т., д.т.н., профессор, директор Научно-исследовательского института энергосбережения на железнодорожном транспорте, заведующий кафедрой «Подвижной состав электрических железных дорог» ФГБОУ ВПО «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск;

Кузнецов А.А., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Теоретическая электротехника» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения», г. Омск.