Elektrotechnické novinky N6(24) Ztráty elektřiny v zařízeních sítí a rozvoden

Při výpočtu technických ztrát elektrické energie v elektrických sítích se tradičně berou v úvahu ztráty při zatížení a naprázdno ve vedení a transformátorech a také ztráty korónou. Zároveň se v sítích používá spousta dalších zařízení, jejichž celkové ztráty dosahují poměrně značné výše. Metody výpočtu řady těchto ztrátových složek v regulačních a metodických dokumentech chybí a u některých typů zařízení nejsou uváděná data zcela správná. To si myslí Jurij Stanislavovič Železko.

<strong>Ztráty elektřiny v zařízeních sítí a rozvoden<br />Energetické systémy jich nezohledňují téměř desetinu</strong>

• lineární armatury venkovních vedení určené pro upevnění vodičů – nosné svorky (lodě), tlumiče vibrací (na vedení 110-220 kV), distanční rozpěrky mezi dráty s dělenou fází (na vedení 330-750 kV);
• izolátory venkovního vedení (ztráty svodového proudu);
• vysokofrekvenční bariéry (HFB) a vysokofrekvenční komunikační spojovací zařízení (HCCCD);
• ventilové svodiče (VA) a svodiče přepětí (SA);
• měřicí transformátory proudu (CT) a transformátory napětí (VT);
• 0,38 kV elektroměry přímé připojení (bez VT);
• kabelová vedení (z hlediska dielektrických ztrát v izolaci);
• proud omezující reaktory;
• propojovací vodiče a přípojnice rozváděčů rozvoden.

Lineární výztuž
Přítomnost uzavřených smyček magnetických materiálů (ocelové šrouby s průvlaky a čluny z oceli nebo temperované litiny) v lineárních výztužných konstrukcích vede ke ztrátám elektrické energie v nich v důsledku převrácení magnetizace a vířivých proudů.
Ztráty výkonu v lineárních armaturách vyrobených z magnetických materiálů lze vyjádřit zvýšením vypočtených odporů vodičů uvedených v tabulce 1.
V posledních 20 letech se ke snížení těchto ztrát používá výztuž z nemagnetických materiálů (slitiny hliníku), čímž se ztráty několikanásobně snížily. Velké množství provozovaných vedení 110–220 kV má však staré armatury. V provozu je také malý počet vedení 500 kV s armaturami z magnetických materiálů (u těchto linek jsou ztráty o 43 % vyšší než u linek s armaturami z nemagnetických materiálů).

Ztráty svodovými proudy v izolátorech nadzemního elektrického vedení
Za normálních provozních podmínek protéká izolátory tzv. „pozadí“ svodový proud. Podle odhadů specialistů z JSC NIIPT se dlouhodobý proud pozadí v podmínkách zvlhčování izolátoru pohybuje v rozmezí 0,5-1 mA. Roční energetické ztráty pro nadzemní elektrické vedení umístěné v různých regionech Ruska jsou uvedeny v tabulce. 2 (region 1 – severovýchod; 2 – sever evropské části; 3 – severozápad; 4 – střední část Ruska; 5 – Severní Kavkaz; 6 – Jižní Ural; 7 – Dálný východ.

Vysokofrekvenční komunikace
Kromě průmyslového frekvenčního proudu jsou vysokofrekvenční komunikační signály přenášeny přes dráty elektrického vedení. Zařízení rozvodny má na tyto signály silný posunovací účinek. Pro omezení tohoto dopadu jsou před sběrnice přijímacích a vysílacích rozvoden instalovány vysokofrekvenční bariéry. Jedná se o reaktory s malým aktivním odporem, které „blokují“ cestu vysokofrekvenčních komunikačních signálů ke sběrnicím rozvoden. Před reaktorem je na fázový vodič připojen vazební kondenzátor a propojovací filtr, kterým se do komunikačního a telemetrického zařízení dostávají komunikační signály „očištěné“ od hlavního kmitočtu.
Výkonové ztráty v každém z různých typů napájecích jednotek při jmenovitém proudu se pohybují od 0,14 do 40 kW. Jejich počet v sítích malého energetického systému, srovnatelný spotřebou energie například s OJSC Novgorodenergo, přesahuje 300 jednotek a v systému, jako je OJSC Lenenergo, téměř 10krát více.

Ventilové svodiče a tlumiče přepětí
Ventilová bleskojistka je sériově zapojený aktivní odpor, který posunuje jiskřiště a sloupec sériově montovaných kotoučů vyrobených z materiálů na bázi karbidu křemíku a představujících nelineární odpory (rezistory). V normálním režimu protéká RV malý proud určený celkovým odporem tohoto elektrického obvodu.
Svodiče přepětí používané v sítích 35 kV a více jsou sloupy sekvenčně sestavených kotoučů vyrobených na bázi materiálů oxidu zinečnatého a představující ještě nelineárnější odpory než ty, které se používají v RV. Nejčastěji používané rezistory mají průměr 28 mm a výšku 8 mm. Výška sloupce rezistoru je úměrná jmenovitému napětí. Například ve fázi systému přepěťové ochrany 500 kV jsou instalovány sloupce odporů vysoké 4,8 m Počet paralelních sloupců ve fázi závisí také na jmenovitém napětí: 1 – pro napětí do 35 kV; 4 – při 110 kV; 7 – pro 220 kV; 12 – při 330 kV; 18 – 500 kV; 26 – při 750 kV.
Vypočtené hodnoty ztrát ve svodičích přepětí a omezovačích přepětí různých napětí jsou uvedeny v tabulce. 3.

• ztráty v primárním vinutí – DP₁;
• v magnetickém systému – DP_м;
• v sekundárních vinutích – měření DP_{2 změny} a ochranný DP_{1 def};
• a v jejich nákladech – DP_{n změnit} a DP_{n zashch}.

• 2,8 – v síti o napětí 6–10 kV;
• 5,1 – 35 kV;
• 14,2 – 110 kV;
• 17,4 – 220 kV;
• 23,8 – 330 kV;
• 36,0 – 500 kV;
• 68,5 – 750 kV.

Přímé připojení elektroměrů
V tabulce. 4 uvádí údaje o příkonu proudových a napěťových obvodů indukčních a elektronických měřičů přímého připojení, jak je stanoveno normami. Tyto ztráty souvisí s konstantními ztrátami, takže je snadné vypočítat roční spotřebu energie elektroměrů, která je uvedena v tabulce. 4. Je třeba mít na paměti, že uvedená čísla odrážejí spotřebu energie pro zajištění provozu elektroměru a neovlivňují odečty energie spotřebované účastníkem.

• 0,9 – 1,5 tisíce kWh/km pro kabely 6–10 kV;
• 2,5 – 5,5 tisíce kWh/km pro kabely 20–35 kV;
• 30 – 60 tisíc kWh/km pro kabely 110 kV.

Ztráty v reaktorech omezujících proud
Tyto ztráty závisí na provozním proudu protékajícím vinutím proud omezujících tlumivek. Vypočítané hodnoty ztrát při průměrné hodnotě provozního proudu lze určit podle vzorce: DW_t.r.= 0,66 C 3U_nomI_nom(2)
kde já_nom – jmenovitý proud reaktoru, kA.

Ztráty ve spojovacích vodičích a přípojnicích rozváděčů rozvoden
Jsou určeny celkovou délkou vodičů na území rozvodny. Je známo, že odpor hliníkového drátu (Ohm/km) souvisí s jeho průřezem F, mm₂ poměr r = 32/F. Při ekonomické proudové hustotě I=F a roční energetické ztráty lze určit podle vzorce (v tisících kWh/rok): DW_nc=96F*L*t*10_-9. (3)
Průměrné délky, vypočtené průřezy vodičů v rozvodnách různých napětí a roční energetické ztráty, stanovené vzorcem (3) při t = 4000 h, jsou uvedeny v tabulce. 5.

• v lineárních armaturách – 1 milion kW*h;
• v izolátorech venkovního elektrického vedení – 7 milionů kW*h;
• v RV a OPN – 1 milion kW*h;
• ve vysokofrekvenčních komunikačních zařízeních – 1,5 milionu kW*h;
• v reaktorech s omezením proudu – 0,5 milionu kW*h;
• v izolaci kabelů – 0,1 milionu kW*h;
• v TT a TN – 5,5 milionu kW*h;
• v metrech – 6,7 milionu kWh;
• při připojování vodičů a přípojnic
• rozvodny – 1,2 milionu kWh.

Příklady výpočtů průřezů vodičů a kabelů na základě dovolené ztráty napětí

NADMĚTNÍ VEDENÍ S NAPĚTÍM 10 kV

Příklad. Vypočtené zatížení P třífázového venkovního vedení je 0,25 MW, účiník pro zatížení sítě je stejný a roven . Vypočítejte vedení 10 kV (v obydlené oblasti) pro ztrátu napětí, s přihlédnutím k indukčnosti vodičů. Materiál drátu: hliník. Délka čáry . Přípustná ztráta napětí (viz tabulka 12-6).
Určujeme momenty celkového a jalového zatížení liniových úseků: Koeficient (viz tabulka 5-12).
Průměrná indukční reaktance (viz tabulka 5-13).
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient (viz tabulka 5-9).
Určení úseku vedení Podle podmínek mechanické pevnosti pro venkovní vedení 10 kV vezmeme nejbližší úsek rovný 35 mm2.
Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.
Na základě metodiky a algoritmu výpočtu byla sestavena tabulka. 58 výběr úseků pro venkovní vedení z hliníkových nebo ocelo-hliníkových drátů v závislosti na délkách úseků vedení a projektovaném zatížení, kW.

Tabulka 58. Návrhový průřez třífázových venkovních a kabelových vedení o napětí 6 a 10 kV se ztrátou napětí DU do 1,5 %; cosj = 0,7–1,0, mm čtvereční.

Poznámka. 1. Vypočtená ztráta napětí DU do 2,5 % je akceptována pro kabely s hliníkovými vodiči o napětí 6 kV.
2. Čitatel udává průřez při napětí 10, jmenovatel – 6 kV.

KABELOVÉ VEDENÍ S NAPĚTÍM 10 kV

Průřez kabelového vedení se vypočítá na základě dané (přípustné) hodnoty úbytku napětí s přihlédnutím k indukčnosti vedení.
Příklad. Vypočtené zatížení P třífázového kabelového vedení je 0,4 MW, účiník pro zatížení sítě je stejný a roven . Vypočítejte kabelové vedení 10 kV pro ztrátu, napětí, s ohledem na indukční reaktance (kabel s hliníkovými vodiči). Délka čáry . Přípustná ztráta napětí .
Určujeme momenty celkového a jalového zatížení liniových úseků: Koeficient .
Průměrná indukční reaktance .
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient .
Určení úseku vedení Akceptujeme nejbližší průřez podle dovoleného proudového zatížení 16 mm2.
Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.

NADMĚTNÍ VEDENÍ S NAPĚTÍM 6 kV

Průřez vodičů vedení se vypočítá na základě dané (přípustné) hodnoty ztráty napětí s přihlédnutím k indukčnosti vedení.
Příklad. Vypočtené zatížení P venkovního třífázového vedení je 0,63 MW, účiník pro zatížení sítě je stejný a roven . Vypočítejte 6 kV venkovní vedení (v obydlené oblasti) pro ztrátu napětí, s přihlédnutím k indukčnosti vodičů. Materiál drátu: hliník. Délka čáry . Přípustná ztráta napětí .
Určujeme momenty celkového a jalového zatížení liniových úseků: Koeficient .
Průměrná indukční reaktance .
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient .
Minimální úsek linky Podle podmínek mechanické pevnosti pro venkovní vedení 6 kV vezmeme nejbližší úsek rovný 35 mm2.
Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.
Pro snížení ztráty napětí na 1,5 % (hodnota akceptovaná ve výpočtech) se bere průřez vodiče 95 mm2

KABELOVÉ VEDENÍ S NAPĚTÍM 6 kV

Vypočítejme průřez kabelového vedení na základě dané (přípustné) hodnoty úbytku napětí s přihlédnutím k indukčnosti vedení.
Příklad. Vypočtené zatížení P třífázového kabelového vedení je 1,0 MW, účiník pro zatížení sítě je stejný a roven . Vypočítejte 6 kV kabelové vedení pro ztrátu napětí, s ohledem na indukční reaktance. Kabel s hliníkovými vodiči. Délka čáry . Přípustná ztráta napětí .
Určujeme momenty celkového a jalového zatížení liniových úseků: Koeficient .
Průměrná indukční reaktance .
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient .
Průřez kabelu Nejbližší průřez bereme podle podmínky dovoleného proudového zatížení rovný 35 mm2. Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.
Pro snížení ztráty napětí na 2,5 % (hodnota přijatá ve výpočtech) je průřez žil kabelového vedení 95 mm2

NADMĚTNÍ VEDENÍ S NAPĚTÍM DO 1 kV

Průřez vodiče venkovního vedení je určen danou ztrátou napětí s přihlédnutím k indukčnosti vedení.
Příklad. Návrhová činná zátěž P = 20 kW, účiník . Vypočítejte venkovní vedení s napětím 0,4 kV pro ztráty napětí s přihlédnutím k indukčnosti odporů. Délka čáry . Materiál drátu: hliník. Akceptujeme přijatelné odchylky napětí 2,5 %.
Určujeme momenty aktivního a jalového zatížení úseku vedení: Koeficient .
Průměrná indukční reaktance .
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient .
Určení průřezu vodiče Nejbližší průřez na základě mechanické pevnosti a dovoleného proudového zatížení bereme jako 70 mm2.
Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.

KABELOVÉ VEDENÍ S NAPĚTÍM DO 1 kV

Průřez kabelového vedení je určen daným úbytkem napětí s přihlédnutím k indukčnosti vedení.
Příklad. Výpočtová činná zátěž P třífázového kabelového vedení je 45 kW, účiník . Vypočítejte kabelové vedení 0,4 kV pro ztrátu napětí, s ohledem na indukčnost odporů. Délka čáry . Kabel s hliníkovými vodiči. Akceptujeme přijatelné odchylky napětí 2,5 %.
Určujeme momenty celkového a jalového zatížení úseku vedení: Koeficient .
Průměrná indukční reaktance .
Určete odhadovanou hodnotu ztráty napětí Koeficient .
Určení průřezu žil kabelu Nejbližší průřez (ne nižší než tabulkové údaje) bereme jako 185 mm2.
Kontrola vypočtené hodnoty ztráty napětí Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.

LINKY PRO OSVĚTLOVACÍ SÍTĚ

Příklad. Předpokládané zatížení hlavního vedení napájejícího osvětlovací síť je P = 30 kW. Odhadovaná hodnota (dostupná ztráta napětí v procentech ze jmenovitého napětí přijímačů při zatěžovacím faktoru transformátoru výkon 400 kVA a při ) se rovná 4,6 %, což při třífázovém síťovém napětí pro žárovky U = 380/220 V poskytne přijatelné snížení napětí o 2,5 % jmenovitého napětí U žárovek. Akceptujeme vypočítanou mez odchylky napětí pro lampy pracovního osvětlení . Třífázová síť s nulovým napětím 380/220 V. Vodiče s hliníkovými vodiči uložené v potrubí. Délka čáry . Určete průřez vodičů vedení.
Určení zatěžovacího momentu Podle tabulky 12-9 zjistíme koeficient C = 44.
Určíme průřez vodičů třífázové osvětlovací sítě s neutrálním vodičem Kontrola výsledku podle tabulky. 12-11, najděte součet momentů zatížení () a pro danou ztrátu napětí nalézt (v tabulce 12-11 nejbližší hodnota ).
Ověřovací výpočet ukazuje, že přijatý průřez splňuje návrhovou podmínku.
Výpočet se provádí obdobně pro jednofázovou dvouvodičovou osvětlovací síť a pro třívodičovou síť (dvě fáze s nulovým vodičem), u kterých se koeficienty C a odpovídajícím způsobem mění (pro větve viz tabulka 12-10 ).

SMÍŠENÉ VÝKONOVÉ A OSVĚTLOVACÍ SÍTĚ

Příklad. Výpočtový výkon třífázové sítě o napětí 380 V je vyroben z kabelu s hliníkovými vodiči (síť napájení a osvětlení): . Výbušné prostory – V-1b.
Určete součet jalových zátěží Určení zatížení části sítě Síla proudu vedení Podle podmínky dovoleného proudového zatížení bereme průřez jádra rovný 4 mm2.
Ztráta síťového napětí .
Podle tabulky je ztrátový koeficient napětí k = 3,23.
Výsledek Ztráta napětí od jmenovitého napětí přijímačů kontrolujeme pomocí tabulkových údajů.