計算輸電過程中的能量損耗
在電力系統中，發電廠產生的電能並非全部都能到達用戶手中。部分電能會在從發電廠、變電站、輸電線路到配電網路的傳輸路徑上「損耗」掉。這些損耗被稱為能量損耗。計算輸電過程中的能量損耗對於提高效率、降低營運成本、確定設備容量以及維持供電品質和可靠性至關重要。本文將探討輸電線路能量損耗的概念、成因以及計算能量損耗的實用方法。
1. 什麼是傳輸能量損耗？
傳輸能量損耗是指傳輸系統發送端所發送的電能與接收端接收到的電能之間的差值。簡單來說：
能量損失 = 發送的能量 – 接收的能量
這些損耗並非僅僅是會計數字；它們實際上會轉化為導體和變壓器鐵芯中的熱量，並且是電場和磁場現象的結果。在系統層面，損耗通常以千瓦時 (kWh) 表示能量，或以千瓦/兆瓦 (kW/MW) 表示給定負載下的功率。百分比損耗也常被使用：
損耗百分比 = (損耗功率 / 發送功率) × 100%
2. 傳輸損耗的主要原因
傳輸損耗通常分為幾個組成部分：
a) 銅損（I²R 損耗）
這是通道中最主要的現象。當電流流經有電阻的導體時，會產生熱量，其量為：
P_loss = I² × R
隨著電流增大，損耗呈現二次方成長。因此，在功率相同的情況下，提高傳輸電壓會降低電流，從而自動減少損耗。
b) 因趨膚效應和鄰近效應所造成的損失
上 交流電電流傾向於流經導體表面。這會增加有效電阻，使其高於直流電阻。相鄰導體中的電流分佈也會受到影響（鄰近效應）。兩者都會增加 I²R 損耗，尤其是在系統頻率（例如印尼的 50 Hz）下，儘管這種影響在大尺寸導體中更為顯著。
c) 新冠疫情損失
當導體周圍的電場強度足以使空氣電離時，就會發生電暈現象，導致嘶嘶聲、無線電幹擾和功率損耗。高電壓、導體表面粗糙、潮濕天氣或下雨都會加劇電暈現象。電暈損耗往往非常顯著。 在系統上 超高真空/特高真空。
d) 介質損耗和絕緣洩漏
絕緣體和材料 絕緣體存在較小的介電損耗。此外，還有表面漏電流，尤其是在絕緣體髒污或潮濕的情況下。該值通常小於 I²R 損耗，但在詳細研究中仍需計算。
e) 相關設備（變壓器和電抗器）的損耗
雖然嚴格來說輸電線路並非“線路”，但實際上輸電線路幾乎總是包含變電站和變壓器。變壓器具有：
– 空載損耗（鐵心損耗）：與負載關係相對恆定。
– 負載損耗（銅損）：取決於電流/負載。
如果研究的目標是母線之間的“系統傳輸損耗”，則通常包括變壓器損耗。
3. 計算所需數據
要從技術角度計算傳輸損耗，通常需要以下數據：
1. P (MW) 和 Q (MVAr) 負載/分配或接收/發送端的功率。
2. 系統電壓（kV），系統類型 1 相/3 相。
3. 通道參數：電阻 R (Ω)、電抗 X (Ω)，以及必要時的電容/電導（π 模型）。
4. 線路長度（公里）和導體類型，以確定每公里電阻。
5. 計算每日/每月/每年能源損失時，負載隨時間的變化曲線。
4.使用簡單方法計算功率損耗
a) 三相繫統
對於三相線路，總銅線功率損耗：
P_loss = 3 × I² × R_phase
如果已知 有功功率傳輸及係數 力量：
– P = √3 × V\_LL × I × cos φ
然後是當前情況：
– I = P / (√3 × V\_LL × cos φ)
一旦知道 I，就將其代入 I²R 損耗公式。
舉個簡單的例子：
例如，150 kV 輸電線路，50 MW 功率，功率因數 0,9，每相總電阻 2 Ω。
目前的：
I = 50×10⁶ / (√3 × 150×10³ × 0,9) ≈ 214 A
虧損：
P_loss = 3 × 214² × 2 ≈ 275 kW
這表示損耗對電流（負載）和線路總電阻非常敏感。
b) 使用每公里參數 R
若已知每公里電阻 R，例如每相 0,06 Ω/km，長度為 80 公里：
R_phase = 0,06 × 80 = 4,8 Ω
然後使用相同的公式。
5. 根據功率損耗（kW）計算能量損耗（kWh）。
功率損耗（kW）隨負載變化而變化。假設在給定時間間隔內功率損耗恆定：
E_loss = P_loss × t
如果 P_loss = 275 kW，持續 10 小時：
E\_loss = 275 × 10 = 2.750 kWh
為了更準確地計算，請使用每小時的負載數據（負載曲線）。計算每小時的 I → 每小時的 P_loss → 對所有小時求和：
每日 E_loss = Σ (P_loss,hour × 1 小時)
由於 P_loss 與 I² 成正比，基於平均電流的計算並不總是準確的。最好使用時間間隔資料（例如，15 分鐘或 1 小時）。
6. 進階方法：透過潮流計算損耗（負載潮流）
在多母線輸電網路中，由於電流分佈在多條線路上且母線電壓各不相同，因此難以用單一公式計算損耗。常用的方法是利用軟體（例如 ETAP、DIgSILENT PowerFactory、PSS/E、OpenDSS 或 pandapower）進行潮流計算。
從概念上：
– 線路上的功率損耗可以透過發送端和接收端復功率之差來計算：
S_loss = S_send – S_receive
其中 P_loss = Re(S_loss)。
– 或者，根據潮流計算結果通道電流和 R 值：
P_loss = 3 × |I|² × R 。
這種方法還可以計算變壓器損耗、並聯損耗，以及變壓器分接頭設定和無功補償的影響。
7. 如何降低傳輸損耗
損失計算完畢後，下一步就是減輕損失。一些常見的策略包括：
1. 提高傳輸電壓以降低電流（和 I²R 損耗）。
2. 使用橫斷面較大的導體或捆紮導體以降低電阻並抑制電暈。
3. 無功功率補償（電容器、STATCOM、SVC）以減少無功電流並提高功率因數。
4. 網路運作最佳化（重新調度、分接設定、重新配置、路徑選擇）。
5. 維護絕緣體和導體，以減少因表面不良而導致的洩漏和電暈問題。
8. 克辛普蘭
計算輸電過程中的能量損耗是提高電力系統效率的關鍵步驟。最大的損耗通常來自I²R損耗，該損耗受線路電流和電阻的顯著影響；而在高電壓和某些環境條件下，電暈損耗和絕緣洩漏損耗也可能相當顯著。簡單的計算可以使用基本的電流和電阻公式，而對於複雜的電網，則需要進行潮流分析。透過了解損耗的成因和計算方法，營運商和系統規劃人員可以製定適當的措施來最大限度地減少損耗，並提高電力分配的可靠性。
如果您願意，我可以將本文改編為特定格式（例如 70 kV/150 kV/500 kV），添加範例小時計算表，或包含電暈公式和線路的 π 模型。
