Het berekenen van energieverliezen bij transmissie
In een elektriciteitsnetwerk bereikt niet alle opgewekte elektrische energie de klant. Een deel ervan gaat "verloren" tijdens het traject van de energiecentrale, het onderstation, de transmissielijn en het distributienetwerk. Deze verliezen staan bekend als energieverliezen. Het berekenen van energieverliezen in transmissielijnen is essentieel voor het verbeteren van de efficiëntie, het verlagen van de operationele kosten, het bepalen van de capaciteit van apparatuur en het waarborgen van de leveringskwaliteit en -betrouwbaarheid. Dit artikel bespreekt het concept, de oorzaken en praktische methoden voor het berekenen van energieverliezen in transmissielijnen.
1. Wat zijn transmissie-energieverliezen?
Energieverliezen tijdens transmissie zijn het verschil tussen de elektrische energie die vanaf de zendzijde wordt verzonden en de energie die aan de ontvangende zijde van een transmissiesysteem wordt ontvangen . Simpel gezegd:
Energieverlies = Verzonden energie – Ontvangen energie
Deze verliezen zijn niet zomaar cijfers in de boekhouding; ze worden daadwerkelijk omgezet in warmte in de geleiders en de transformatorkern, en zijn het gevolg van elektrische en magnetische veldverschijnselen. Op systeemniveau worden verliezen meestal uitgedrukt in kWh voor energie, of kW/MW voor vermogen bij een bepaalde belasting. Ook procentuele verliezen worden vaak gebruikt:
Verliespercentage = (Verliesvermogen / Zendvermogen) × 100%
2. De belangrijkste oorzaken van transmissieverliezen
Transmissieverliezen worden over het algemeen onderverdeeld in verschillende componenten:
a) Koperverlies (I²R-verlies)
Dit is het meest dominante aspect in het kanaal. Wanneer stroom door een geleider met weerstand loopt, wordt er warmte gegenereerd in de volgende hoeveelheid:
P_verlies = I² × R
Naarmate de stroomsterkte toeneemt, nemen de verliezen kwadratisch toe. Daarom zal het verhogen van de transmissiespanning bij hetzelfde vermogen de stroomsterkte verlagen en daarmee automatisch de verliezen verminderen.
b) Verliezen als gevolg van huideffect en nabijheid
Aan wisselstroomStroom heeft de neiging om over het oppervlak van de geleider te vloeien. Dit verhoogt de effectieve weerstand ten opzichte van de gelijkstroomweerstand. In aangrenzende geleiders wordt ook de stroomverdeling beïnvloed (nabijheidseffect). Beide factoren verhogen de I²R-verliezen, vooral bij systeemfrequenties (50 Hz in Indonesië), hoewel het effect sterker is bij dikkere geleiders.
c) Corona-verlies
Corona treedt op wanneer het elektrische veld rond een geleider sterk genoeg is om de lucht te ioniseren, wat sissende geluiden, radiostoring en energieverlies veroorzaakt. Corona neemt toe bij hoge spanningen, ruwe oppervlakken van de geleider, vochtig weer of regen. Coronaverliezen zijn doorgaans aanzienlijk. op het systeem EHV/UHV.
d) Diëlektrisch verlies en isolatielekkage
Isolatoren en materialen Isolatie heeft een klein diëlektrisch verlies. Daarnaast is er sprake van oppervlaktelekstroom, vooral wanneer de isolator vuil of nat is. Deze waarde is meestal kleiner dan het I²R-verlies, maar wordt desondanks meegenomen in gedetailleerde studies.
e) Verliezen in de bijbehorende apparatuur (transformatoren en reactoren)
Hoewel het strikt genomen geen "leiding" is, omvatten transmissielijnen vrijwel altijd onderstations en transformatoren. Transformatoren hebben:
– Nullastverlies (kernverlies): relatief constant ten opzichte van de belasting.
– Belastingsverlies (koperverlies): afhankelijk van stroomsterkte/belasting.
Als het doel van de studie "transmissieverliezen" van bus naar bus is, worden transformatorverliezen meestal meegenomen.
3. Gegevens die nodig zijn voor de berekening
Om transmissieverliezen technisch te berekenen, zijn over het algemeen de volgende gegevens nodig:
1. P (MW) en Q (MVAr) belasting/distributie of vermogen aan de ontvangende/zendende zijde.
2. Systeemspanning (kV), systeemtype 1-fase/3-fase.
3. Kanaalparameters: weerstand R (Ω), reactantie X (Ω), en indien nodig capaciteit/geleidbaarheid (π-model).
4. Lijnlengte (km) en geleidertype om R per km te bepalen.
5. Belastingsprofiel ten opzichte van de tijd bij het berekenen van dagelijkse/maandelijkse/jaarlijkse energieverliezen.
4. Het berekenen van vermogensverliezen met behulp van een eenvoudige aanpak
a) 3-fasensysteem
Voor driefasenleidingen, totaal vermogensverlies in koper:
P_verlies = 3 × I² × R_fase
Indien bekend actief overgedragen vermogen en factor Stroom:
– P = √3 × V\_LL × I × cos φ
Dan de huidige:
– I = P / (√3 × V\_LL × cos φ)
Zodra I bekend is, voer je deze waarde in de I²R-verliesformule in.
Een kort voorbeeld:
Bijvoorbeeld: 150 kV transmissie, 50 MW vermogen, arbeidsfactor 0,9, totale weerstand per fase 2 Ω.
Huidig:
I = 50×10⁶ / (√3 × 150×10³ × 0,9) ≈ 214 A
Verlies lijden:
P_loss = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
Dit toont aan dat de verliezen zeer gevoelig zijn voor de stroomsterkte (belasting) en de totale weerstand van de leiding.
b) Gebruikmakend van de parameter R per km
Als de weerstand R per km bekend is, bijvoorbeeld 0,06 Ω/km per fase, en de lengte 80 km bedraagt:
R_phase = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
Gebruik dan dezelfde formule.
5. Bereken het energieverlies (kWh) op basis van het vermogensverlies (kW).
Het vermogensverlies (kW) verandert in de loop van de tijd naarmate de belasting verandert. Ervan uitgaande dat het vermogensverlies gedurende een bepaald interval constant blijft:
E_loss = P_loss × t
Als P_loss = 275 kW gedurende 10 uur:
E\_verlies = 275 × 10 = 2.750 kWh
Voor een realistischere berekening kunt u gebruikmaken van uurlijkse belastinggegevens (belastingsprofiel). Bereken I per uur → P_verlies per uur → som over alle uren:
Dagelijkse E_loss = Σ (P_loss,uur × 1 uur)
Omdat P_loss ∝ I², zijn berekeningen gebaseerd op de gemiddelde stroomsterkte niet altijd nauwkeurig. Het is beter om intervalgegevens te gebruiken (bijvoorbeeld 15 minuten of 1 uur).
6. Geavanceerde aanpak: verliesberekening via vermogensstroom (belastingsstroom)
In transmissienetwerken met meerdere buslijnen zijn verliezen niet eenvoudig te berekenen met één enkele formule, omdat de stroom over meerdere lijnen wordt verdeeld en de busspanningen variëren. Een veelgebruikte methode is een vermogensstroomanalyse met behulp van software (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, PSS/E, OpenDSS of pandapower).
Conceptueel gezien:
– Het vermogensverlies op een lijn kan worden berekend aan de hand van het verschil in complex vermogen tussen de zend- en ontvangstzijde:
S_verlies = S_verzenden – S_ontvangen
met P_loss = Re(S_loss).
– Als alternatief, op basis van de stroomverdeling in het stroomkanaal en de R-waarde:
P_loss = 3 × |I|² × R .
Deze aanpak maakt het ook mogelijk om transformatorverliezen, shuntverliezen, evenals de impact van transformatoraftakkingen en reactieve compensatie te berekenen.
7. Hoe transmissieverliezen te verminderen
Nadat de verliezen zijn berekend, is de volgende stap het beperken van de schade. Enkele veelgebruikte strategieën zijn:
1. Verhoog de transmissiespanning om de stroom (en I²R-verliezen) te verminderen.
2. Het gebruik van geleiders met een grotere doorsnede of het bundelen ervan om de weerstand te verlagen en corona te onderdrukken.
3. Compensatie van reactief vermogen (condensator, STATCOM, SVC) om de reactieve stroom te verminderen en de arbeidsfactor te verbeteren.
4. Optimalisatie van de netwerkwerking (herverdeling, tap-instelling, herconfiguratie, padselectie).
5. Onderhoud van isolatoren en geleiders om lek- en coronaproblemen als gevolg van slechte oppervlakken te verminderen.
8. Kesimpulan
Het berekenen van energieverliezen in transmissienetwerken is een cruciale stap in het verbeteren van de efficiëntie van elektriciteitsnetten. De grootste verliezen worden over het algemeen veroorzaakt door I²R, dat sterk wordt beïnvloed door de lijnstroom en -weerstand. Corona- en isolatielekstromen kunnen daarentegen aanzienlijk zijn bij hoge spanningen en onder bepaalde omgevingsomstandigheden. Eenvoudige berekeningen kunnen worden uitgevoerd met behulp van basisformules voor stroom en weerstand, terwijl voor complexe netwerken een vermogensstroomanalyse nodig is. Door de oorzaken en berekeningsmethoden te begrijpen, kunnen beheerders en systeemplanners de juiste maatregelen nemen om verliezen te minimaliseren en de betrouwbaarheid van de elektriciteitsdistributie te verbeteren.
Indien gewenst kan ik dit artikel aanpassen aan een specifieke context (bijv. 70 kV/150 kV/500 kV), een tabel met voorbeeldberekeningen per uur toevoegen, of de coronaformule en het π-model van de lijn erin opnemen.
