При передаче электроэнергии с шин электростанций до потребителей часть электроэнергии расходуется на нагрев проводников, создание электромагнитных полей и другие эффекты, сопутствующие переменному току. Бόльшая часть этих расходов, которые в дальнейшем будем называть потерями электроэнергии, приходится на нагрев проводников.
Термин “потери энергии” следует понимать как технологический расход электроэнергии на её передачу. Именно по этой причине вместо термина “потери электроэнергии” в отчётных документах энергосистем используется термин “ технологический расход электроэнергии при передаче по электрическим сетям ”.
В линии, работающей с постоянной нагрузкой и имеющей потери активной мощности ΔР, потери электроэнергии за время t составят
. (7.6)
Если же нагрузка в течение года изменяется, то потери электроэнергии можно рассчитать различными способами.
Наиболее точный метод расчёта потерь электроэнергии ΔW – это определение их по графику нагрузок ветви, причём расчёт потерь мощности производится для каждой ступени графика. Этот метод называют методом графического интегрирования. При расчёте за каждый час получается почасовой расчёт потерь электроэнергии.
Различают суточные и годовые графики нагрузок. На рис. 7.3 приведены летний и зимний суточные графики активной и реактивной нагрузок.
Рис. 7.3. Графики нагрузок: а – зимний суточный; б – летний суточный;
в – по продолжительности
Годовой график строится на основе характерных суточных графиков за весенне-летний и осенне-зимний периоды. Это пример упорядоченного графика, т.е. такого, в котором все значения нагрузки расположены в порядке убывания (рис. 7.3). В результате получают годовой график нагрузки, который показывает продолжительность работы при данной нагрузке. Поэтому такой график называется графиком по продолжительности.
По годовому графику нагрузок можно определить потери электроэнергии за год. Для этого определяют потери мощности и электроэнергии для каждого режима.
После подсчета потерь мощности в каждом режиме получают суммарные потери электроэнергии за год, суммируют все потери при различных режимах
, (7.7)
где ΔРi – потери мощности на i -ой ступени графика нагрузок;
Δti – длительность i -ой ступени графика нагрузок.
Величина потери мощности находится по соотношению
, (7.8)
где Si – полная мощность на i- ой ступени графика нагрузок;
U i – линейное напряжение на i- ой ступени графика нагрузок.
Потери мощности и электроэнергии в трансформаторе за время Δti:
;
,
где ΔРк и ΔРx – потери соответственно в меди и стали трансформатора;
S2i – нагрузка на вторичной стороне трансформатора на i -ой ступени графика;
Sном – номинальная мощность трансформатора.
При k параллельно работающих идентичных трансформаторах
. (7.9)
Потери электроэнергии за год
. (7.10)
В зависимости от степени равномерности графика нагрузок число параллельно включенных трансформаторов k может быть различным.
Достоинством метода определения потерь по графику нагрузки является высокая точность. Недостатком метода следует считать отсутствие информации о графиках нагрузок для всех ветвей сети. Кроме того, стремление к точности расчёта вызывает увеличение числа ступеней в графике нагрузки, а это, в свою очередь, приводит к повышению трудоемкости расчёта.
Одним из наиболее простых методов определения потерь является расчёт потерь электроэнергии по времени наибольших потерь. Из всех режимов выбирается режим, в котором потери мощности наибольшие. Рассчитывая этот режим, получают потери мощности в нём ΔРнб. Потери энергии за год находят умножением этих потерь мощности на время наибольших потерь τ:
. (7.11)
Время наибольших потерь – это время, за которое при работе с наибольшей нагрузкой потери электроэнергии были бы те же, что и при работе по действительному графику нагрузки:
, (7.12)
где N – число ступеней нагрузки.
Можно установить связь между потерями электроэнергии и электроэнергией, полученной потребителем.
Энергия, полученная потребителем за год, равна
, (7.13)
где Рнб – наибольшая потребляемая нагрузкой мощность;
Тнб – это время в часах, за которое при работе с наибольшей нагрузкой потребитель получал бы то же количество электроэнергии, что и при работе по реальному графику.
Рис. 7.4. Определение ΔW по графику нагрузок и по τ:
а – схема замещения линии; б, г – трехступенчатый и многоступенчатый графики нагрузок; в, д – трехступенчатый и многоступенчатый графики S2
Из графиков, приведённых на рис. 7.4 видно, что значения τ и Тнб в общем случае не совпадают. Например, Тнб представляет собой абсциссу прямоугольника, площадь которого равна площади трёхступенчатого графика на рис. 7.4,б или многоступенчатого графика на рис. 7.4,г.
Построим график S 2 = f(t) (рис. 7.4,в). Предположим, что потери мощности i -ой ступени графика приближённо определяются по номинальному напряжению, т.е. вместо (7.8) будем использовать следующее выражение
.
Учитывая, что rл/ 
= соnst, следует заметить, что потери электроэнергии за время Δti в определённом масштабе равны 
.
Потери электроэнергии за год в определённом масштабе равны площадям фигур на рис. 6.4, в и д.
Время наибольших потерь τ представляет собой абсциссу прямоугольника, площадь которого равна площади трёхступенчатого графика на рис. 7.4,в или многоступенчатого графика на рис. 7.4,д. Аналогично (7.13) получаем
.
Время наибольшей нагрузки из (7.13)
.
Потери электроэнергии в трансформаторах рассчитывают по формуле
, (7.14)
где S2нб – наибольшая нагрузка трансформатора,
Т = 8760 ч – число часов в году.
Выражение можно применять лишь при постоянном числе включённых на параллельную работу трансформаторов, т.е. К = const.
Поскольку мощность потребления Р ~ I×cosφ, а потери мощности ΔР ~ I2, то становится очевидным несовподение значений времени наибольшей нагрузки Тнб и времени наибольших потерь τ (рис. 7.4). Существуют эмпирические формулы, связывающие между собой τ и Тнб. Для ряда характерных нагрузок можно расчётным путём построить зависимости τ = f (Тнб, cosφ), приведённые на рис. 7.5.
Рис. 7.5. Зависимости τ от Тнб и cosφ
Порядок расчёта потерь по методу τ, т.е. по времени наибольших потерь, следующий:
1) находят время наибольшей нагрузки, используя годовой график;
2) из графических зависимостей τ = f (Тнб, cosφ), приведённых в справочной литературе, находят время наибольших потерь;
3) определяют потери в режиме наибольшей нагрузки ΔРнб;
4) по соотношению ΔW = ΔРнб × τ находят потери энергии за год.
Метод расчёта по времени наибольших потерь был одним из самых распространённых до широкого внедрения ЭВМ. В основу метода положены допущения, что максимальные потери энергии в элементе сети соответствуют максимуму нагрузки системы и графики активных и реактивных мощностей подобны, т.е. cosφ = const. При использовании эмпирических зависимостей τ от Тнб и cosφ лишь частично учитывается конфигурация графиков нагрузки. Сделанные допущения приводят к большим погрешностям этого метода. Кроме того, по методу τ нельзя рассчитывать потери в линиях со стальными проводами, сопротивление которых переменно.
Дальнейшее повышение точности расчёта потерь привело к разработке метода τP и τQ. При этом методе в величине ΔРнб разделяются потери мощности от протекания по сети активной и реактивной мощностей.
Расчётное соотношение имеет вид
ΔW = ΔPP × τP + ΔPQ × τQ,
где ΔРр, ΔРQ – составляющие потерь мощности от протекания по сети активной и реактивной мощностей.