Цель работы: Исследование факторов, влияющих на потери электроэнергии в распределительной электрической сети.
Задание
1. Выполнить моделирование режима электрической сети при средней нагрузке.
2. Определить показатели неравномерности суточного и годового графиков нагрузки.
3. Определить нагрузочные, условно-постоянные и суммарные потери электроэнергии для заданного варианта работы.
4. Оценить характер влияния формы графика нагрузки, напряжения в центре питания распределительной сети, коэффициента реактивной мощности на составляющие потерь электроэнергии.
5. Выполнить анализ возможностей снижения потерь электроэнергии в распределительной сети.
Методические указания
1. Моделирование режима электрической сети при средней нагрузке
Схема сети 10 кВ, представленная одной распределительной линией, приведена на рис. 6.1. Данные по режимным параметрам головного участка сети приведены в табл. 6.1.
Параметры схемы замещения воздушных и кабельных линий 10 кВ определяются по активному и реактивному погонным сопротивлениям 
, 
(Ом/км).
, 
, 
,
где 
– длина i -го участка линии, км;
– число параллельных цепей на i -м участке линии;
– число участков линии.
Рис. 6.1
Двухобмоточные трансформаторы 10/0,38 кВ ТП в расчётной схеме представлены следующими параметрами:
– номинальной мощностью, кВ·А;
– потери мощности короткого замыкания, кВт;
– потери мощности холостого хода, кВт;
– ток холостого хода трансформатора, %.
Параметры режима головного участка распределительной линии (участок 1 – 2 схемы 6.1) определяются по данным замера годового отпуска электроэнергии в распределительную линию (фидер) 
, среднегодовому значению коэффициента реактивной мощности 
, замеру напряжения на сборных шинах ЦП 10 кВ U г.ср и суточного графика тока фидера 
(
1, 2,…,24). График ежемесячного отпуска электроэнергии в фидер, нормированный среднемесячным отпуском электроэнергии показан на рис. 6.2. Варианты суточных графиков тока головного участка фидера, нормированные величиной среднесуточного тока, даны на рис. 6.3.
Таблица 6.1
| Вариант |  , кВт·ч
|  , кВ
|
|
| 10 000 000 | 9,5 | 0,40 | |
| 12 000 000 | 10,0 | 0,45 | |
| 13 000 000 | 10,5 | 0,50 | |
| 14 000 000 | 11,0 | 0,55 | |
| 15 000 000 | 9,5 | 0,40 | |
| 16 000 000 | 10,0 | 0,45 | |
| 17 000 000 | 10,5 | 0,50 | |
| 18 000 000 | 11,0 | 0,55 | |
| 19 000 000 | 10,0 | 0,40 | |
| 20 000 000 | 10,5 | 0,45 |
Рис. 6.2
Особенностью моделирования режима фидера является то, что известными являются параметры режима его головного участка.
| 
|
| 
|
Рис 6.3
Средние активные и реактивные нагрузки фидера за период Т =8760 ч равны
, кВт;
, квар.
Активная и реактивная составляющие тока головной ветви, A:
= 
/ 
;
= 
/ .
Определяются нагрузки ТП на стороне 10 кВ пропорциональные мощностям трансформаторов ТП:
= 
/ 
,
= 
/ ,
где 
– номинальная мощность трансформатора в l -м ТП;
- число трансформаторов в l -м ТП;
k - число ТП.
Вычисляются токи ветвей расчётной схемы распределительной линии
,
где 
= 
– ток i -й ветви в режиме средних нагрузок;
коэффициент токораспределения, принимающий значение, равное единице, если l -й ТП питается по i -й ветви схемы, и равное нулю в остальных случаях.
Обратным ходом определяются напряжения всех узлов сети, начиная с узла в начале головной ветви:
U а.н1= U г.ср;
U p.н1=0;
к i = н i - ∆ i = н i - 
i (Ri + jXi), i = 1,2,…, m,
где U а.н1, U р.н1–активная и реактивная составляющие напряжения в начале
1-ой ветви (головной);
к i – напряжение в конце i -ой ветви;
н i – напряжение в начале i -ой ветви, равное напряжению в конце предыдущей ветви.
Ток нагрузки одного трансформатора l -го ТП равен
Вычисляются потери активной мощности в участках линии
л i = 3 
, i =1,2,…, m
и трансформаторах ТП
тн l = 
;
тх l = x 
;
l=1, 2,…,k.
Условно-постоянные потери мощности в изоляции кабелей и изоляторах воздушных линий определяются по нормативу потерь 
, разработанному для различных регионов страны.
, i = 1,2,…, m.
Моделирование режима средней нагрузки распределительной линии (фидера) выполняется на ПК в среде Excel с использованием модуля «Лаб 6». На листе «Режим средн нагр», необходимо заполнить исходными данными заданного варианта работы поля, отмеченные для «самостоятельного заполнения», используя данные листа «Справочные данные». В первую очередь необходимо на расчётной схеме (рис. 6.1) пронумеровать узлы, начиная с узла ЦП. Узлу ЦП присваивается номер 1. Параметры ветвей фидера записываются в таблицу «Линии электропередачи». Сопротивления ветвей определяются автоматически. Информация о трансформаторах ТП фидера заносится в таблицу «Трансформаторы». В таблицу «Условно-постоянные потери в ЛЭП» вносится норматив потерь с листа «Справочные данные».
Расчёт режима осуществляется с помощью макроса Excel «Режим_ЛЭП». Для запуска макроса необходимо выполнить следующие действия:
1. Перейдите на вкладку «Вид» ленты окна листа «Режим средн нагр» и щёлкните левой кнопкой мыши по меню «Макросы».
2. Из раскрывшегося списка выберете пункт «Макросы».
3. В окне «Макрос» нажмите кнопку «Выполнить».
Автоматически будут определены токи ветвей, напряжения узлов, потери мощности в линиях и трансформаторах.
2. Показатели неравномерности суточного и годового графиков нагрузки
Неравномерность режима потребления электроэнергии в значительной степени влияет на величину нагрузочных потерь электроэнергии. Чем более неравномерен график электропотребления, тем выше нагрузочные потери электроэнергии при одном и том же значении среднегодовой нагрузки. Суточная и годовая неравномерность электропотребления учитывается с помощью коэффициента формы графика нагрузки за период Т, величина которого равна
,
где 
– квадрат коэффициента формы суточного графика нагрузки (см. рис. 6.3);
– квадрат коэффициента формы годового графика ежемесячного отпуска электроэнергии (см. рис. 6.2) в фидер.
Коэффициенты формы равны
,
= 
,
где 
– ордината суточного графика нагрузки;
– среднесуточный ток нагрузки;
– отпуск электроэнергии в фидер в месяце m;
- среднемесячный отпуск электроэнергии в фидер.
Варианты суточного графика нагрузки и годового графика отпуска электроэнергии приведены в модуле «Лаб 6» на листе «Графики нагрузки». Расчёт и выполняется автоматически.
3. Нагрузочные, условно-постоянные потери электроэнергии
Потери электроэнергии за расчётный период T =8760 ч состоят из нагрузочных и условно-постоянных потерь в линиях и трансформаторах. Нагрузочные потери электроэнергии равны
,
,
,
,
где 
, 
– суммарные нагрузочные потери активной мощности в участках линии и трансформаторах ТП соответственно;
, 
– суммарные условно-постоянные потери активной мощности в линии и суммарные потери холостого хода трансформаторов.
Для представления потерь электроэнергии в наглядной форме составляют структуру потерь (рис. 6.4).
Рис.6.4
Структура потерь электроэнергии используется для определения «очагов» повышенных потерь. Например, структура потерь, показанная на рис. 6.4, свидетельствует о том, что при низкой нагрузке фидера, не соответствующей суммарной мощности трансформаторов ТП, необходимо уменьшать потери холостого хода трансформаторов.
Потери электроэнергии при различных сочетаниях значений режимных параметров головного участка фидера находятся на листе «Потери энергии» модуля «Лаб 6». Каждое сочетание исходных данных записывается на лист «Режим средн нагр» и выполняется моделирование режима средних нагрузок в соответствии с рекомендациями пункта 1 методических указаний. Полученные значения потерь мощности в линиях и трансформаторах вручную переносятся на лист «Потери энергии» в одну из строк таблиц 1, 2 или 3 этого листа.
4. Влияние формы графика нагрузки, напряжения в центре питания распределительной сети, коэффициента реактивной мощности на составляющие потерь электроэнергии
При определении нагрузочных потерь электроэнергии 
методом средних нагрузок неравномерность графика нагрузки учитывается с помощью коэффициента формы 
. Потери электроэнергии в отдельном элементе электрической сети (рис.6.5),
Рис. 6.5
имеющем активное сопротивление 
и реактивное сопротивление 
равны
.
Это выражение показывает, что нагрузочные потери электроэнергии при неизменной величине передаваемой средней активной мощности увеличиваются при росте коэффициента реактивной мощности 
и коэффициента формы графика нагрузки . Увеличение напряжения 
приводит к снижению потерь электроэнергии. Одновременно с изменением и меняются величина потерь и падения напряжения в элементе сети и уровень напряжения на приёмном конце элемента сети 
.
.
При увеличении напряжение на приёмном конце снижается, при росте напряжения в начале элемента сети напряжение на приёмном конце – увеличивается. Изменение напряжения приводит к изменениям величины потерь электроэнергии холостого хода трансформатора:
,
где 
– активная проводимость в схеме замещения трансформатора, обусловленная потерями мощности холостого хода.
Исследование зависимостей составляющих потерь электроэнергии в рассматриваемой в данной работе схеме фидера 10 кВ от величин (факторов) , , выполняется в модуле Excel «Лаб 6». На листе «Потери энергии» этого модуля размещены три таблицы, которые необходимо заполнить результатами моделирования режима средних нагрузок при различных сочетаниях рассматриваемых факторов. В таблицу 1 записываются потери мощности в режиме средних нагрузок, определённые для базовых значений и . Базовые значения параметров режима определены вариантом задания для данной работы. Так как средние нагрузки не зависят от величины , то в таблице 1 потери мощности в режиме средних нагрузок одинаковы для всех рассматриваемых конфигураций графиков нагрузки. Зависимости нагрузочных и условно-постоянных потерь электроэнергии для рассматриваемых графиков показаны на рис. 6.6.
| 
|
| а) | б) |
Рис. 6.6
При исследовании зависимости потерь электроэнергии от величины (таблица 2 на листе «Потери энергии») напряжение в центре питания устанавливается в соответствии с вариантом задания, а 
соответствует графику нагрузки № 3. Последовательно принимает следующие значения: 0,40; 0,45; 0,50; 0,55. Для каждого из значений выполняется моделирование режима средней нагрузки так, как это описано в п. 1 методических указаний к данной работе. Результаты моделирования каждого режима заносятся в таблицу 2 на листе «Потери энергии». Характер зависимостей потерь электроэнергии от показан на рис. 6.7.
При исследовании зависимости потерь электроэнергии от величины коэффициент реактивной мощности устанавливается в соответствии с вариантом задания, а соответствует графику нагрузки № 3. Последовательно принимает следующие значения: 9,5; 10,0; 10,5; 11,0 кВ. Для каждого из значений выполняется моделирование режима средней нагрузки так, как это описано в п. 1 методических указаний к данной работе.
| 
|
| а) | б) |
Рис. 6.7
Результаты моделирования каждого режима заносятся в таблицу 3 на листе «Потери энергии». Характер зависимостей потерь электроэнергии от показан на рис. 6.8.
| 
|
| а) | б) |
Рис. 6.8
5. Анализ возможностей снижения потерь электроэнергии в распределительной сети
Снижение потерь электроэнергии в распределительной сети 10 кВ возможно при регулировании напряжения в центре питания и компенсации реактивной мощности нагрузки. Из результатов моделирования сети, приведённых на рис. 6.7 и 6.8, видно, что изменение составляющих потерь электроэнергии имеет разнонаправленный характер. Для выбора оптимальных значений и необходимо построить зависимости суммарных потерь электроэнергии 
от рассматриваемых факторов. Оптимальные значения факторов соответствуют минимуму 
.
Поэлементный анализ потерь электроэнергии предполагает сопоставление нагрузочных и условно-постоянных потерь в участках фидера или трансформаторах. На рис. 6.9 показан пример распределения нагрузочных потерь по участкам фидера.
Рис. 6.9
Круговая диаграмма (рис. 6.9) позволяет в наглядной форме выявить участки фидера с повышенными потерями. Для рассматриваемого примера наибольшие нагрузочные потери мощности наблюдаются в участке фидера
2 – 3 (см. рис. 6.1). Для снижения нагрузочных потерь мощности и электроэнергии в таком участке следует увеличить сечение провода (кабеля), что приведёт к уменьшению его сопротивления. Постройте круговую диаграмму для своего варианта работы и выберете участок фидера с наибольшими потерями мощности. Измените в таблице «Линии электропередачи» на листе «Режим средн нагр» сечение провода выбранного участка фидера и откорректируйте значения погонных сопротивлений , этого участка. Выполните моделирование режима средних нагрузок при изменённых параметрах участка фидера. Оцените изменение потерь мощности и электроэнергии при замене провода.
Если потери мощности холостого хода трансформатора значительно превышают его нагрузочные потери (см. таблицу «Трансформаторы» на листе «Режим средн нагр»), то это свидетельствует о завышенной величине номинальной мощности трансформатора. Выберите в таблице «Трансформаторы» трансформатор с наибольшей разницей нагрузочных потерь и потерь холостого хода. Уменьшите номинальную мощность этого трансформатора и, используя «Справочные данные», откорректируйте значения , , этого трансформатора. Выполните моделирование режима средних нагрузок при изменённых параметрах трансформатора. Оцените изменение потерь мощности и электроэнергии при замене трансформатора.
Если в ТП установлены два трансформатора, оцените изменение потерь мощности и электроэнергии при отключении одного из них.
Контрольные вопросы
1. Как определить среднюю нагрузку за расчётный период?
2. Как неравномерность графика нагрузки влияет на величину потерь электроэнергии в сети?
3. Почему при уменьшении коэффициента реактивной мощности нагрузочные потери мощности уменьшаются, а условно-постоянные растут?
4. Как зависят нагрузочные и условно-постоянные потери мощности от уровня напряжения?
5. Почему потери мощности снижаются при увеличении проводов?
6. Как изменятся нагрузочные потери и потери холостого хода трансформатора при отключении одного из двух трансформаторов ТП?