Calcularea pierderilor de energie în transmisie
Într-un sistem electric, nu toată energia electrică generată la centrala electrică ajunge la client. O parte din ea se „pierde” pe traseu de la centrala electrică, substație, linia de transport și rețeaua de distribuție. Aceste pierderi sunt cunoscute sub numele de pierderi de energie. Calcularea pierderilor de energie în transport este esențială pentru îmbunătățirea eficienței, reducerea costurilor de operare, determinarea capacității echipamentelor și menținerea calității și fiabilității alimentării. Acest articol discută conceptul, cauzele și metodele practice de calculare a pierderilor de energie în liniile de transport.
1. Ce sunt pierderile de energie de transmisie?
Pierderile de energie de transmisie reprezintă diferența dintre energia electrică trimisă de la capătul emițător și energia primită la capătul receptor al unui sistem de transmisie. Simplu spus:
Pierdere de energie = Energie trimisă – Energie primită
Aceste pierderi nu sunt doar cifre contabile; ele se transformă de fapt în căldură în conductori, miezul transformatorului și sunt rezultatul fenomenelor câmpului electric și magnetic. La nivel de sistem, pierderile sunt de obicei exprimate în kWh pentru energie sau kW/MW pentru putere la o anumită sarcină. Pierderile procentuale sunt adesea folosite și:
Procentul de pierdere = (Putere de pierdere / Putere de transmitere) × 100%
2. Principalele cauze ale pierderilor de transmisie
Pierderile de transmisie sunt în general împărțite în mai multe componente:
a) Pierdere de cupru (pierdere I²R)
Aceasta este cea mai dominantă în canal. Când curentul trece printr-un conductor care are rezistență, se generează căldură în cantitatea de:
Pierderea P = I² × R
Pe măsură ce curentul crește, pierderile cresc pătratic. Prin urmare, creșterea tensiunii de transmisie pentru aceeași putere va reduce curentul și, implicit, pierderile.
b) Pierderi datorate efectului pelicular și proximității
În curentul alternativ, curentul tinde să curgă de-a lungul suprafeței conductorului. Aceasta crește rezistența efectivă în comparație cu rezistența de curent continuu. În conductoarele adiacente, distribuția curentului este, de asemenea, afectată (efect de proximitate). Ambele cresc pierderile I²R, în special la frecvențele sistemului (50 Hz în Indonezia), deși impactul este mai pronunțat la conductoarele mai mari.
c) Pierderi cauzate de coronavirus
Efectul corona apare atunci când câmpul electric din jurul unui conductor este suficient de puternic pentru a ioniza aerul, provocând zgomot de șuierat, interferențe radio și pierderi de putere. Efectul corona crește odată cu tensiunile ridicate, suprafețele rugoase ale conductorilor, vremea umedă sau ploaie. Pierderile cauzate de efectul corona tind să fie semnificative în sistemele EHV/UHV.
d) Pierderi dielectrice și scurgeri de izolație
Izolatorii și materialele izolante au pierderi dielectrice mici. În plus, există curent de scurgere la suprafață, în special atunci când izolatorul este murdar sau ud. Această valoare este de obicei mai mică decât pierderea I²R, dar este totuși calculată în studii detaliate.
e) Pierderi în echipamentele aferente (transformatoare și reactoare)
Deși nu sunt strict o „linie”, liniile de transport implică practic întotdeauna substații și transformatoare. Transformatoarele au:
– Pierdere în gol (pierdere în miez): relativ constantă în funcție de sarcină.
– Pierdere de sarcină (pierdere în cupru): depinde de curent/sarcină.
Dacă obiectivul studiului este „pierderile de transmisie a sistemului” de la o bară la alta, pierderile din transformator sunt de obicei incluse.
3. Date necesare pentru calcul
Pentru calcularea tehnică a pierderilor de transmisie, datele necesare în general sunt:
1. Sarcina/distribuția sau puterea P (MW) și Q (MVAr) la capătul receptor/transmițător.
2. Tensiunea sistemului (kV), tipul sistemului monofazat/trifazat.
3. Parametrii canalului: rezistența R (Ω), reactanța X (Ω) și, dacă este necesar, capacitatea/conductanța (modelul π).
4. Lungimea liniei (km) și tipul conductorului pentru a determina R pe km.
5. Profilul de sarcină în funcție de timp la calcularea pierderilor de energie zilnice/lunare/anuale.
4. Calcularea pierderilor de putere folosind o abordare simplă
a) Sistem trifazat
Pentru liniile trifazate, pierderea totală de putere în cupru:
Pierderea P = 3 × I² × Rfază
Dacă puterea activă transmisă și factorul de putere sunt cunoscute:
– P = √3 × V⁻LL × I × cos φ
Apoi curentul:
– I = P / (√3 × V⋅LL × cos φ)
Odată ce valoarea I este cunoscută, introduceți-o în formula de pierdere I²R.
Un exemplu rapid:
De exemplu, transmisie de 150 kV, putere de 50 MW, factor de putere 0,9, rezistență totală pe fază de 2 Ω.
Actual:
I = 50×10⁶ / (√3 × 150×10³ × 0,9) ≈ 214 A
A face o pierdere:
Pierdere de putere = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
Aceasta arată că pierderile sunt foarte sensibile la curent (sarcină) și la rezistența totală a liniei.
b) Utilizarea parametrului R pe km
Dacă R este cunoscut pe km, de exemplu 0,06 Ω/km pe fază, iar lungimea este de 80 km:
R\faza = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
Apoi folosește aceeași formulă.
5. Calculați pierderile de energie (kWh) din pierderile de putere (kW)
Pierderile de putere (kW) se modifică în timp odată cu modificarea sarcinii. Presupunând pierderi de putere constante pe un interval dat:
E\loss = P\loss × t
Dacă P\loss = 275 kW timp de 10 ore:
E\_pierdere = 275 × 10 = 2.750 kWh
Pentru un calcul mai realist, utilizați datele de sarcină orară (profilul de sarcină). Calculați I pe oră → P\pierdere pe oră → suma tuturor orelor:
Pierderea zilnică E = Σ (P pierdere, oră × 1 oră)
Deoarece P\_loss ∝ I², calculele bazate pe curentul mediu nu sunt întotdeauna precise. Este mai bine să se utilizeze date la intervale (de exemplu, 15 minute sau 1 oră).
6. Abordare avansată: calcularea pierderilor prin fluxul de putere (flux de sarcină)
În rețelele de transmisie multi-bus, pierderile nu se calculează ușor folosind o singură formulă, deoarece curentul este împărțit pe mai multe linii, iar tensiunile bus-ului variază. O metodă comună este un studiu al fluxului de putere folosind software (ETAP, DIgSILENT PowerFactory, PSS/E, OpenDSS sau pandapower).
Conceptual:
– Pierderea de putere pe o linie poate fi calculată din diferența dintre puterea complexă la capetele de emițător și de recepție:
S\_pierdere = S\_trimitere – S\_recepție
cu P\loss = Re(S\loss).
– Alternativ, din canalul de rezultate ale fluxului de putere, curentul și valoarea R:
P\_loss = 3 × |I|² × R.
Această abordare permite, de asemenea, calcularea pierderilor în transformator, a pierderilor în șunt, precum și a impactului setărilor prizelor transformatorului și a compensării reactive.
7. Cum se reduc pierderile de transmisie
Odată ce pierderile au fost calculate, următorul pas este atenuarea. Câteva strategii comune includ:
1. Măriți tensiunea de transmisie pentru a reduce curentul (și pierderile I²R).
2. Utilizarea conductorilor cu secțiuni transversale mai mari sau a fasciculării pentru a reduce rezistența și a suprima efectul de corona.
3. Compensarea puterii reactive (condensator, STATCOM, SVC) pentru a reduce curentul reactiv și a îmbunătăți factorul de putere.
4. Optimizarea funcționării rețelei (redispecerizare, setare prize, reconfigurare, selectare cale).
5. Întreținerea izolatorilor și conductorilor pentru a reduce scurgerile și problemele de efect corona cauzate de suprafețele de proastă calitate.
8. Kesimpulan
Calcularea pierderilor de energie în transport este un pas esențial în îmbunătățirea eficienței sistemului energetic. Cele mai mari pierderi provin, în general, din I²R, care este puternic influențat de curentul de linie și de rezistența acesteia, în timp ce scurgerile de corona și de izolație pot fi semnificative la tensiuni ridicate și în anumite condiții de mediu. Calcule simple pot fi efectuate folosind formule de bază de curent și rezistență, în timp ce pentru rețelele complexe este necesară analiza fluxului de putere. Prin înțelegerea cauzelor și a metodelor de calcul, operatorii de sistem și planificatorii pot determina acțiuni adecvate pentru a minimiza pierderile și a îmbunătăți fiabilitatea distribuției energiei electrice.
Dacă doriți, pot adapta acest articol la un context specific (de exemplu, 70 kV/150 kV/500 kV), pot adăuga un tabel cu exemple de calcule orare sau pot include formula corona și modelul π al liniei.
