Energiakadude arvutamine ülekandel
Elektrisüsteemis ei jõua kogu elektrijaamas toodetud elektrienergia kliendini. Osa sellest läheb elektrijaamast, alajaamast, ülekandeliinist ja jaotusvõrgust eralduval teel "kaotsi". Neid kadusid nimetatakse energiakadudeks. Energiakadude arvutamine ülekandel on oluline efektiivsuse parandamiseks, tegevuskulude vähendamiseks, seadmete võimsuse määramiseks ning varustuskvaliteedi ja töökindluse säilitamiseks. See artikkel käsitleb ülekandeliinide energiakadude arvutamise kontseptsiooni, põhjuseid ja praktilisi meetodeid.
1. Mis on ülekandeenergia kaod?
Ülekandeenergia kaod on ülekandesüsteemi saatjast saadetud ja vastuvõtjast vastuvõetava elektrienergia vahe. Lihtsamalt öeldes:
Energiakadu = saadetud energia – vastuvõetud energia
Need kaod ei ole lihtsalt raamatupidamislikud näitajad; need muunduvad tegelikult soojuseks juhtides, trafo südamikus ning on elektri- ja magnetvälja nähtuste tulemus. Süsteemi tasandil väljendatakse kadusid tavaliselt kWh-des energia puhul või kW/MW-des võimsuse puhul antud koormusel. Sageli kasutatakse ka protsentuaalseid kadusid:
Kaotuse protsent = (Kaotuse võimsus / Saatmisvõimsus) × 100%
2. Ülekandekadude peamised põhjused
Ülekandekadude jaotused jagunevad tavaliselt mitmeks komponendiks:
a) Vase kadu (I²R kadu)
See on kanalis kõige domineerivam. Kui vool voolab läbi takistusega juhi, tekib soojust järgmiselt:
P\_kaotus = I² × R
Voolu suurenedes suurenevad kaod ruudukujuliselt. Seega vähendab sama võimsuse korral edastuspinge suurendamine voolutugevust ja seega automaatselt kaod.
b) Nahaefekti ja läheduse tõttu tekkivad kaod
Vahelduvvoolus kipub vool voolama mööda juhi pinda. See suurendab efektiivset takistust võrreldes alalisvoolu takistusega. Kõrvutiasetsevates juhtides mõjutab see ka voolujaotust (lähedusefekt). Mõlemad suurendavad I²R kadusid, eriti süsteemi sagedustel (50 Hz Indoneesias), kuigi mõju on suurem suuremate juhtide puhul.
c) Koroonakadu
Koroona tekib siis, kui juhi ümber tekkiv elektriväli on piisavalt tugev, et ioniseerida õhku, põhjustades susisevat heli, raadiohäireid ja võimsuskadu. Koroona suureneb kõrgepinge, kareda juhi pinna, niiske ilma või vihma korral. Koroonakaod on EHV/UHV süsteemides tavaliselt märkimisväärsed.
d) Dielektriline kadu ja isolatsiooni leke
Isolaatoritel ja isoleermaterjalidel on väikesed dielektrilised kaod. Lisaks esineb pinnalekkevool, eriti kui isolaator on määrdunud või märg. See väärtus on tavaliselt väiksem kui I²R kadu, kuid seda arvutatakse siiski üksikasjalikes uuringutes.
e) Kaod seotud seadmetes (trafod ja reaktorid)
Kuigi tegemist ei ole rangelt võttes "liiniga", hõlmavad ülekandeliinid praktiliselt alati alajaamu ja trafosid. Trafodel on:
– Koormuseta kadu (südamiku kadu): koormuse suhtes suhteliselt konstantne.
– Koormuskadu (vasekadu): sõltub voolust/koormusest.
Kui uuringu eesmärk on "süsteemi ülekandekaod" bussilt bussile, siis tavaliselt kaasatakse ka trafo kaod.
3. Arvutamiseks vajalikud andmed
Ülekandekadude tehniliseks arvutamiseks on üldiselt vaja järgmisi andmeid:
1. P (MW) ja Q (MVAr) koormus/jaotus või võimsus vastuvõtu-/saatmispoolel.
2. Süsteemi pinge (kV), süsteemi tüüp 1-faasiline/3-faasiline.
3. Kanali parameetrid: takistus R (Ω), reaktants X (Ω) ja vajadusel mahtuvus/juhtivus (π-mudel).
4. Liini pikkus (km) ja juhi tüüp R määramiseks kilomeetri kohta.
5. Koormusprofiil aja suhtes päevase/kuise/aastase energiakadu arvutamisel.
4. Võimsuskadude arvutamine lihtsa lähenemisviisi abil
a) 3-faasiline süsteem
3-faasiliste liinide puhul vase koguvõimsuse kadu:
P-kaotus = 3 × I² × R-faas
Kui edastatud aktiivvõimsus ja võimsustegur on teada:
– P = √3 × V₁₀L₀ × I × cos φ
Siis praegune:
– I = P / (√3 × V₁₀L₀ × cos φ)
Kui I on teada, sisestage see I²R kahjumi valemisse.
Kiire näide:
Näiteks 150 kV ülekanne, 50 MW võimsus, võimsustegur 0,9, kogutakistus faasi kohta 2 Ω.
Praegune:
I = 50 × 10⁶ / (√3 × 150 × 10³ × 0,9) ≈ 214 A
Tee kahjumit:
P\_kaotus = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
See näitab, et kaod on väga tundlikud voolu (koormuse) ja liini kogutakistuse suhtes.
b) Kasutades parameetrit R kilomeetri kohta
Kui R on teada kilomeetri kohta, näiteks 0,06 Ω/km faasi kohta, ja pikkus on 80 km:
R\faas = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
Seejärel kasutage sama valemit.
5. Arvutage energiakaod (kWh) võimsuskadude (kW) põhjal
Võimsuskaod (kW) muutuvad ajas koos koormuse muutumisega. Eeldades konstantseid võimsuskaod antud ajavahemiku jooksul:
E\_kaotus = P\_kaotus × t
Kui P\_loss = 275 kW 10 tunni jooksul:
E\_kadu = 275 × 10 = 2.750 kWh
Realistlikuma arvutuse tegemiseks kasutage tunniseid koormusandmeid (koormusprofiil). Arvutage I tunnis → P\_kaotus tunnis → summa kõigi tundide peale:
Päevane energiakadu = Σ (energiakadu tund × 1 tund)
Kuna P\_loss ∝ I², siis keskmise voolu põhjal tehtud arvutused ei ole alati täpsed. Parem on kasutada intervalliandmeid (nt 15 minutit või 1 tund).
6. Täiustatud lähenemisviis: kadude arvutamine võimsusvoo (koormusvoo) kaudu
Mitme siiniga ülekandevõrkudes ei ole kadusid ühe valemi abil lihtne arvutada, kuna vool jaotatakse mitme liini vahel ja siinipinged varieeruvad. Levinud meetod on võimsusvoo uuring tarkvara abil (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, PSS/E, OpenDSS või pandapower).
Kontseptuaalselt:
– Liini võimsuskadu saab arvutada saatja ja vastuvõtja vahelise kompleksvõimsuse erinevuse põhjal:
S\_kaotus = S\_saatmine – S\_vastuvõtmine
kus P\_loss = Re(S\_loss).
– Teise võimalusena, võimsusvoo tulemuse kanali voolutugevuse ja R väärtuse põhjal:
P\_kaotus = 3 × |I|² × R .
See lähenemisviis võimaldab arvutada ka trafo kadusid, šundi kadusid ning trafo astmike sätete ja reaktiivkompensatsiooni mõju.
7. Kuidas vähendada ülekandekadusid
Kui kahjud on arvutatud, on järgmine samm leevendamine. Mõned levinud strateegiad on järgmised:
1. Suurendage edastuspinget, et vähendada voolutugevust (ja I²R kadusid).
2. Suurema ristlõikega juhtide kasutamine või kimpudega ühendamine takistuse vähendamiseks ja koroona summutamiseks.
3. Reaktiivvõimsuse kompenseerimine (kondensaator, STATCOM, SVC) reaktiivvoolu vähendamiseks ja võimsusteguri parandamiseks.
4. Võrgu toimimise optimeerimine (ümberjaotamine, ühenduskoha seadistamine, ümberkonfigureerimine, tee valik).
5. Isolaatorite ja juhtide hooldus, et vähendada halbade pindade tõttu lekkeid ja koroonaprobleeme.
8. Kesimpulan
Energiakadude arvutamine ülekandel on elektrisüsteemi efektiivsuse parandamise võtmeetapp. Suurimad kaod tulenevad üldiselt I²R-ist, mida mõjutavad tugevalt liinivool ja takistus, samas kui koroona- ja isolatsioonilekked võivad olla märkimisväärsed kõrgepinge korral ja teatud keskkonnatingimuste korral. Lihtsaid arvutusi saab teha voolu ja takistuse põhivalemite abil, samas kui keerukate võrkude puhul on vaja energiavoo analüüsi. Põhjuste ja arvutusmeetodite mõistmise abil saavad süsteemioperaatorid ja planeerijad määrata kindlaks sobivad meetmed kadude minimeerimiseks ja elektrienergia jaotuse töökindluse parandamiseks.
Soovi korral saan seda artiklit kohandada konkreetsele kontekstile (nt 70 kV/150 kV/500 kV), lisada näidis-tunniarvutuste tabeli või lisada koroonavalemi ja liini π-mudeli.
