Транспортировка электроэнергии

Транспортировка электроэнергии – это процесс передачи электрической  энергии от электрических станций  до потребителей. Необходимость транспортировки электроэнергии обусловлена большой территориальной распределенностью потребителей. Тогда как расположение электростанций имеет тенденцию к концентрированности, обусловленной низкой удельной стоимостью производства электрической энергии, и определяется относительной доступностью и дешевизной энергоресурсов, природными особенностями местности и прочими факторами. Передача электрической энергии является естественно-монопольным видом деятельности. При большом количестве сетевых компаний, функционирующих на рынке электрической энергии, фактически у потребителя отсутствует выбор, так как линия электропередачи, соединяющая конкретного потребителя с производителем электрической энергии, всего одна.

Транспортировка электроэнергии осуществляется посредством электрических  сетей, подразделяющихся на воздушные (подвешенные на опорах над поверхностью земли) и кабельные (проложенные  под землей). Транспортировка электроэнергии посредством воздушных линий  электропередач имеет преимущество ввиду относительной их дешевизны  по сравнению с кабельными. Кроме того, к преимуществам воздушных линий относится простота их осмотра, ремонта и реконструкции, обусловленная доступностью линий данного типа. К недостаткам воздушных ЛЭП относится широкая полоса отчуждения и высокая уязвимость. Основным преимуществом транспортировки электроэнергии при помощи кабельных линий является отсутствие широкой полосы отчуждения. Кроме того, линии данного типа защищены от внешних воздействий гораздо лучше воздушных. Основным недостатком передачи электроэнергии посредством кабельных линий является высокая их стоимость и труднодоступность для осмотра их состояния.

Основной проблемой, возникающей при транспортировке  электроэнергии, являются технологические  потери. Потери электрической энергии  возникают ввиду того, что электрический  ток, проходя по проводам, нагревает  их. При этом величина потерь будет  определяться длиной линии и напряжением  тока. Таким образом, при транспортировке  электроэнергии на большие расстояния используются только линии электропередач высокого напряжения.

Повышение и понижение  напряжения при транспортировке  электроэнергии производится при помощи трансформаторов, устанавливаемых  на электростанциях и в конце  линий электропередач. Необходимость  трансформации электрического тока с повышением и понижением напряжения обусловливает тот факт, что передача электроэнергии осуществляется главным  образом на переменном токе. Производство электроэнергии технически возможно как  посредством генераторов переменного  тока, так и постоянного. При этом изменение постоянного тока с  понижением или повышением напряжения невозможно.

В настоящее время  во всем мире идут исследования возможностей беспроводной транспортировки электроэнергии. Учеными США уже получены положительные  результаты опытов по транспортировке электроэнергии беспроводным методом, основанным на принципах электромагнитного резонанса. Преимущества беспроводного способа передачи электроэнергии очевидны. Исчезновение паутины электрических сетей, оплетающих города в настоящий момент, и снижение затрат на прокладку линий делает данный способ выгодным как для генерирующих и сетевых компаний, так и для конечных потребителей электроэнергии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Процесс потребления электроэнергии сопровождается рядом ее последовательных преобразований, каждое из которых неизбежно сопровождается потерями. Теряется часть электроэнергии и при транспортировке.

Энергоэффективность преобразований электроэнергии и ее транспортировки определяется, с одной стороны, фундаментальными ограничениями, связанными со свойствами материалов и физической природой процессов энергопреображения. С другой стороны, коэффициент полезного действия процессов энергопреобразования, величина потерь электроэнергии зависят от режимов загрузки энергетического оборудования, качества напряжения системы электроснабжения, ее структуры, графиков электропотребления и ряда других факторов.

Следовательно, управление комплексом факторов, влияющих на процессы транспортировки электроэнергии, преобразования ее параметров и преобразование электрической энергии в другие виды энергии, позволяет уменьшить потери до теоретически обоснованного минимума.

Учитывая массовый характер использования  электроэнергии в быту и на производстве, сокращение потерь электроэнергии в  процессе ее потребления представляет собой важнейшую задачу, даже частичное решение которой позволит добиться существенной экономии энергоресурсов.

Значительное влияние на электропотребление оказывает качество напряжения в  системе электроснабжения. Показатели качества напряжения зависят от степени рациональности построения системы электроснабжения, типов электроприемников и режимов их работы, многих других факторов, требующих изучения и оптимизации.

Одним из важнейших методов комплексного решения задач энергосбережения, тесно связанным с качеством напряжения в системе электроснабжения, многими другими факторами, является анализ индикаторов, основанный на методах проведения оптимального многофакторного эксперимента. Возможности теории планирования эксперимента оперировать с многими факторами, имеющими различную физическую природу, различные способы описания, различные диапазоны изменений, позволяют определять количественные характеристики энергосберегающих мероприятий и оптимизировать комплекс рекомендуемых мер, направленных на экономию энергоресурсов предприятия и средств на их оплату.

Перспективным направлением развития электроэнергетики является вовлечение в энергобаланс природных возобновляемых ресурсов, прежде всего ветра и  потоков воды. Малые ветро- и гидроэлектростанции позволяют организовать децентрализованное электроснабжение различных объектов. Современные технологии преобразования энергии позволяют создавать эффективные ветро- и гидроагрегаты, генерирующие электроэнергию высокого качества при приемлемых затратах на строительство и эксплуатацию энергоустановок.

Изложение указанных вопросов, изучаемых студентами энергоэнергетических специальностей старших курсов, приведено в учебном пособии, которое может быть полезно также магистрам и аспирантам.

Примеры практических расчетов энергоэффективности в системах электроснабжения приведены в Приложении.

1. Оптимизация  потерь электроэнергии в сетях  промышленных предприятий

Разветвленная и имеющая большую протяженность  электрическая сеть предприятий  является источником потерь, составляющих десятки, а иногда и сотни тысяч  кВт×ч в год. Рационализация электросетей может дать существенную экономию электроэнергии.

Потери  электроэнергии собственно в системе  электроснабжения предприятия можно разделить на:

- потери в линиях электропередачи;

- потери в реакторах, измерительных  трансформаторах и др.;

- нагрузочные потери в трансформаторах;

- потери холостого хода в трансформаторах;

- потери в компенсирующих устройствах.

1.1. Потери мощности  и энергии в линиях электропередачи

Потери  электроэнергии в линиях определяются величиной тока и сопротивления линии. Потери активной мощности в трехфазной линии находятся по формуле

             (1)

потери реактивной мощности

                         (2)

где R, X - активное и реактивное сопротивление линии [Ом];

I_м - расчетный ток нагрузки [А];

Р_м - активная мощность [кВт];

Q_м - реактивная мощность [кВАр];

U_н - напряжение сети [В].

Активное сопротивление линии  зависит от длины проводника, его  сечения и материала, из которого он выполнен. Величина активного сопротивления определяется по формуле

R = r_оl,                                                               (3)

где l - длина линии [км]; r_о - удельное сопротивление [Ом/км], которое находится по справочникам [4] или по выражению

r_о = 1000/gF,                                                          (4)

где g - удельная проводимость, принимаемая для медных проводников 54,4 м/Ом×мм²; для алюминиевых - 32,2 м/Ом×мм²;

F - сечение проводника [мм²].

Индуктивное сопротивление линии вычисляется  как

Х = х_о l,                                                                 (5)

где х_о - удельное индуктивное сопротивление [Ом/км], определяемое по справочникам [4] или расчетным данным.  Удельное индуктивное сопротивление транспонированной трехфазной воздушной линии находится как

                                     (6)

где  - среднее геометрическое расстояние между осями проводов; r- радиус проводов; m - коэффициент магнитной проницаемости (для провода из цветного металла m = 1). Индуктивное сопротивление линии содержит составляющую х_о, определяемую конструктивными факторами, и составляющую , которая создается переменным магнитным полем самого проводника.

При расчете токопроводов увеличение их сопротивления за счет поверхностного эффекта и эффекта близости учитывается коэффициентом добавочных потерь: для гибких токопроводов К_д = 1,1-1,2; для жестких симметричных - К_д = 1,2-1,5; для жестких несимметричных токопроводов  
К_д = 2,5-3. При прокладке токопроводов в галерее или тоннеле К_д следует увеличивать на 0,2-0,3 за счет потерь в металлических конструкциях.

Реактивная  емкостная проводимость воздушных  линий обусловлена наличием емкости  между проводами и между проводами  и землей. Сети промышленных предприятий  имеют относительно небольшую протяженность, поэтому емкостная проводимость при расчете потерь электроэнергии не учитывается.

Соотношение между удельными значениями активных и реактивных сопротивлений кабельных  линий электропередач в виде графика  показано на рис.1. Как следует из кривых на рис. 1, индуктивное сопротивление  кабеля почти не зависит от его  сечения и в среднем составляет 0,07 Ом/км.

Следовательно, учитывать реактивное сопротивление  для проводов и кабелей сечением менее 25 мм² не имеет практического смысла. Реактивное сопротивление линии сечением от 25 до 70 мм² следует учитывать в зависимости от конкретных условий и соотношения r_о к х_о. Для проводников сечением более 70 мм² индуктивное сопротивление следует учитывать во всех случаях.

На  величину потерь мощности в линии  электропередач оказывает влияние несимметрия токов и напряжений трехфазной системы.  
Коэффициент увеличения потерь мощности в трехфазной сети с 0

1

2

3

4

0

50

100

150

200

250

300

x₀

r₀

F

 

мм²

Рис. 1. Зависимость активного r_o и индуктивного х_о сопротивлений кабелей от их сечения F

неравномерной токовой  загрузкой фаз трехпроводной  линии определяется выражением:

     (7)

 

где I_А, I_В, I_С - токи в проводах соответствующих фаз; I_ср - среднее значение токов.

Для системы с нулевым проводом коэффициент  увеличения потерь мощности равен [1].

                               (8)

где R_ф, R_N - сопротивления фазного и нулевого провода.

На  практике для характеристики неравенства  фазных токов часто используют относительные значения небаланса токов

DI_неб = (I_max - I_min)/I_ср,

где I_max - и I_min - максимальное и минимальное значения из трех замеренных значений I_А, I_В, I_С.

Численные значения коэффициента увеличения потерь К_нер в зависимости от DI_неб для трех случаев:

1) ток третьей фазы равен среднеарифметическому токов других фаз;

2) совпадает с максимальным током;

3) совпадает с минимальным током  приведены в табл. 1.

Таблица 1

	К нер.из			Кнер
DIнеб	1	2	3	RN/Rф= 1	RN/Rф= 0,5
0,1	1	1	1	1,017-1,022	1,028-1,036
0,2	1,007	1,009	1,009	1,032-1,045	1,052-1,072
0,3	1,013	1,017	1,018	1,068-1,095	1,104-1,132
0,4	1,027	1,033	1,038	1,1-1,131	1,16-1,21
0,5	1,040	1,041	1,053	1,15-1,21	1,24-1,4
0,6	1,060	1,008	1,1