Изчисляване на загубите на енергия при пренос
В електроенергийната система не цялата електрическа енергия, генерирана в електроцентралата, достига до потребителя. Част от нея се „губи“ по пътя от електроцентралата, подстанцията, електропровода и разпределителната мрежа. Тези загуби са известни като енергийни загуби. Изчисляването на енергийните загуби при преноса е от съществено значение за подобряване на ефективността, намаляване на експлоатационните разходи, определяне на капацитета на оборудването и поддържане на качеството и надеждността на доставките. Тази статия разглежда концепцията, причините и практическите методи за изчисляване на енергийните загуби в електропроводите.
1. Какво представляват загубите на енергия при пренос?
Загубите на преносна енергия са разликата между електрическата енергия, изпратена от изпращащия край, и енергията, получена в приемащия край на преносната система . С прости думи:
Загуба на енергия = Изпратена енергия – Получена енергия
Тези загуби не са просто счетоводни данни; те всъщност се превръщат в топлина в проводниците, сърцевината на трансформатора, и са резултат от явления, свързани с електрическо и магнитно поле. На системно ниво загубите обикновено се изразяват в kWh за енергия или kW/MW за мощност при даден товар. Често се използват и процентни загуби:
Процент на загуба = (Загубена мощност / Изпращаща мощност) × 100%
2. Основните причини за загубите при пренос
Загубите при пренос обикновено се разделят на няколко компонента:
а) Загуба на мед (загуба на I²R)
Това е най-доминиращият елемент в канала. Когато токът протича през проводник, който има съпротивление, се генерира топлина в количество:
P\_загуба = I² × R
С увеличаване на тока, загубите се увеличават квадратично. Следователно, увеличаването на предавателното напрежение за същата мощност ще намали тока и автоматично ще намали загубите.
б) Загуби поради скин-ефект и близост
На променлив ток, токът е склонен да тече по повърхността на проводника. Това увеличава ефективното съпротивление в сравнение със съпротивлението за постоянен ток. В съседни проводници разпределението на тока също е засегнато (ефект на близост). И двете увеличават загубите на I²R, особено при системни честоти (50 Hz в Индонезия), въпреки че въздействието е по-изразено при по-големи проводници.
в) Загуба от коронавирус
Короната възниква, когато електрическото поле около проводник е достатъчно силно, за да йонизира въздуха, причинявайки съскащ шум, радиосмущения и загуба на мощност. Короната се увеличава при високо напрежение, грапави повърхности на проводниците, влажно време или дъжд. Загубите от корона обикновено са значителни. на системата Извънредно високо напрежение (EHV/UHV).
г) Диелектрични загуби и изолационни течове
Изолатори и материали Изолацията има малки диелектрични загуби. Освен това има повърхностен ток на утечка, особено когато изолаторът е замърсен или мокър. Тази стойност обикновено е по-малка от загубата I²R, но все пак се изчислява в подробни изследвания.
д) Загуби в свързаното оборудване (трансформатори и реактори)
Въпреки че не са строго „линия“, преносните линии практически винаги включват подстанции и трансформатори. Трансформаторите имат:
– Загуби на празен ход (загуби в сърцевината): относително постоянни спрямо натоварването.
– Загуба на товар (загуба на мед): зависи от тока/натоварването.
Ако целта на изследването е „загуби при пренос на системата“ от шина до шина, загубите от трансформатори обикновено се включват.
3. Данни, необходими за изчислението
За техническо изчисляване на загубите при пренос, обикновено необходимите данни са:
1. P (MW) и Q (MVAr) натоварване/разпределение или мощност в приемащия/изпращащия край.
2. Напрежение на системата (kV), тип система 1 фаза/3 фаза.
3. Параметри на канала: съпротивление R (Ω), реактивно съпротивление X (Ω) и, ако е необходимо, капацитет/проводимост (π модел).
4. Дължина на линията (км) и вид на проводника за определяне на R на км.
5. Профил на натоварване спрямо времето при изчисляване на дневните/месечните/годишните енергийни загуби.
4. Изчисляване на загубите на мощност с помощта на опростен подход
а) 3-фазна система
За трифазни линии, обща загуба на мощност от мед:
P\_загуба = 3 × I² × R\_фаза
Ако е известно предавана активна мощност и фактор Мощност:
– P = √3 × V\_LL × I × cos φ
Тогава токът:
– I = P / (√3 × V\_LL × cos φ)
След като I е известен, въведете го във формулата за загуба на I²R.
Един бърз пример:
Например, пренос 150 kV, мощност 50 MW, фактор на мощността 0,9, общо съпротивление на фаза 2 Ω.
Текущ:
I = 50×10⁶ / (√3 × 150×10³ × 0,9) ≈ 214 A
Направете загуба:
P\_загуба = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
Това показва, че загубите са много чувствителни към тока (натоварването) и общото съпротивление на линията.
б) Използване на параметъра R на км
Ако R е известно на km, например 0,06 Ω/km на фаза, и дължината е 80 km:
R_фаза = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
След това използвайте същата формула.
5. Изчислете загубите на енергия (kWh) от загубите на мощност (kW)
Загубите на мощност (kW) се променят с течение на времето, когато натоварването се променя. Ако приемем, че загубите на мощност са постоянни за даден интервал:
Загуба на E = загуба на P × t
Ако P\_загуба = 275 kW за 10 часа:
E\_loss = 275 × 10 = 2.750 kWh
За по-реалистично изчисление използвайте данни за почасовото натоварване (профил на натоварване). Изчислете I на час → P\_загуба на час → сума за всички часове:
Дневна загуба на енергия = Σ (загуба на енергия, час × 1 час)
Тъй като P\_загуба ∝ I², изчисленията, базирани на среден ток, не винаги са точни. По-добре е да се използват интервални данни (напр. 15 минути или 1 час).
6. Усъвършенстван подход: изчисляване на загубите чрез поток на мощност (поток на товар)
В многошинни преносни мрежи загубите не се изчисляват лесно с помощта на една единствена формула, тъй като токът се разделя на множество линии и напреженията на шините варират. Често срещан метод е изследване на потока на мощност с помощта на софтуер (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, PSS/E, OpenDSS или pandapower).
Концептуално:
– Загубата на мощност по линията може да се изчисли от разликата в комплексната мощност на изпращащия и приемащия край:
S\_загуба = S\_изпращане – S\_получаване
с P\загуба = Re(S\загуба) .
– Алтернативно, от резултата от потока на мощност в канала и стойността на R:
P\_загуба = 3 × |I|² × R.
Този подход позволява също така изчисляване на загубите от трансформатори, загубите от шунтиране, както и влиянието на настройките на трансформаторните отклонения и реактивната компенсация.
7. Как да се намалят загубите при пренос
След като загубите бъдат изчислени, следващата стъпка е смекчаване на последиците. Някои често срещани стратегии включват:
1. Увеличете предавателното напрежение, за да намалите тока (и загубите от I²R).
2. Използване на проводници с по-големи напречни сечения или свързване в снопове за намаляване на съпротивлението и потискане на короната.
3. Компенсация на реактивната мощност (кондензатор, STATCOM, SVC) за намаляване на реактивния ток и подобряване на коефициента на мощност.
4. Оптимизация на мрежовата работа (повторно диспечиране, настройка на отклоненията, преконфигуриране, избор на път).
5. Поддръжка на изолатори и проводници за намаляване на проблемите с течове и корона, дължащи се на лоши повърхности.
8. Кесимпулан
Изчисляването на загубите на енергия при преноса е ключова стъпка за подобряване на ефективността на електроенергийната система. Най-големите загуби обикновено идват от I²R, което е силно повлияно от линейния ток и съпротивлението, докато короната и изолационните течове могат да бъдат значителни при високи напрежения и при определени условия на околната среда. Прости изчисления могат да се извършат с помощта на основни формули за ток и съпротивление, докато за сложни мрежи е необходим анализ на потока на мощност. Чрез разбиране на причините и методите за изчисление, операторите и системните проектанти могат да определят подходящи действия за минимизиране на загубите и подобряване на надеждността на разпределението на електрическа енергия.
Ако желаете, мога да адаптирам тази статия към специфичен контекст (напр. 70 kV/150 kV/500 kV), да добавя таблица с примерни почасови изчисления или да включа формулата за короната и π модела на линията.
