Окупаемость мероприятий направленных на уменьшение потерь электрической энергии и повышения пропускной способности сети с применением проводов повышенной пропускной способности и устройств компенсации реактивной энергии



В статье рассмотрена окупаемость мероприятий по повышению пропускной способности линий электропередачи с использованием проводов повышенной пропускной способности и применении устройств компенсации реактивной мощности.

Ключевые слова: потери мощности, высокотемпературные провода, компенсация реактивной мощности.

Компенсация реактивной энергии как способ увеличения пропускной способности сетей и уменьшения энергопотерь в них.

Увеличение пропускной способности электроэнергетических систем достигается не только за счет реконструкции сетей, в частности линий, но и за счет подключения различного оборудования, предназначенного для компенсации реактивной мощности.

На предприятиях особое внимание уделяется компенсирующим устройствам, так как главные приемники представляют собой асинхронные электродвигатели, коэффициент мощности которых без применения компенсирующих мероприятий может составлять 0,65-0,75.

Меры по снижению реактивной энергии способствуют:

- снижению загрузки трансформаторов, увеличению продолжительности работоспособности [7];

- снижению нагрузки на токопроводящие жилы проводов, применению их наименьшего сечения;

- повышению качества электрической энергии, снижению искривления вида напряжения) [8];

- снижению нагрузочного явления на коммутационную аппаратуру по причине уменьшения токов;

- минованию нарушений за ухудшение качества электрической энергии низким cosφ (коэффициентом мощности);

- уменьшению затрат на электрическую энергию.

Устройства компенсации реактивной энергии необходимы для компенсации реактивных величин системы (пример, ЛЭП) и реактивной мощности, участвующей в загрузках и составляющих электроэнергетической системы.

Основные моменты процесса

Огромным количеством электрического оборудования любого промышленного объекта являются устройства, сопровождаемые в рабочем режиме магнитным полем, которые в свою очередь и определяют индуктивную нагрузку.

Главное свойство индуктивной нагрузки заключается, в том, что ток, проходящий через индуктивность, остается прежним (без изменений), а при прохождении нагрузочного тока создается искажение фаз между током и напряжением (напряжение «опережает» ток на определенный угол). Вследствие различных знаков у напряжения и тока в момент «опережения», происходит уменьшение энергии индуктивности, компенсируемая из сети.

Для многих предприятий данный факт указывает на то, что в системе между источником питания и потребителем проходит как активная энергия, которая осуществляет полезное действие, так и реактивная энергия, которая в свою очередь не выполняет полезную работу, а тратится только на формирование магнитных полей индуктивности. Вся энергия имеет 2 составляющие: активная и реактивная энергии. Активная составляющая энергии определяется отношением полной мощности к коэффициенту мощности cosφ (отклонение фаз между напряжением и током). Тем не менее, текущий реактивный ток по элементам электрических объектов и целым объектам, такие как линии электропередачи и обмотки трансформаторов, уменьшает часть пропускной способности проходящего по тем же элементам и объектам активного тока, создавая при этом потери, направленные на нагревающий эффект – потери активной мощности [9].

Следовательно, исходя из калькуляции стоимости за электрическую энергию, покупатель обязуется заплатить вдвойне за внепроизводственные расходы. Первая оплата – естественно за использование реактивной мощности из сети по счетчику реактивной энергии. Вторая оплата – также за реактивную энергию, но неявно, производя оплату за активные потери, обусловленные реактивной энергией, считаемые счетчиком активной энергии. Повлиять на данное состояние можно только расположив источник реактивной мощности у потребителя. Данное введение освобождает систему от реактивного тока, тем самым уменьшает индуктивную нагрузку.

Экономическая и статистическая оценка компенсации реактивной мощности

По результатам исследования ведущих специалистов процентная часть электрической энергии составляет 35-45 % от себестоимости продукта. Таким образом, уменьшение энергопотерь относится к более значимым обстоятельствам в сохранении средств и получении конкурентного приоритета.

К одному из способов по уменьшению энергопотерь относится уменьшение реактивной энергии (подъем коэффициента мощности cosφ), т.к. реактивная мощность существенно влияет на рост потерь электрической энергии. При полном отсутствии УКРМ, энергопотери составляют от 15 до 55% от среднестатического использования энергии.

Причины энергопотерь

Следует обратить внимание, что при минимальных величинах cosφ (0.28–0.50), трехфазные приборы учета имеют неточность показаний от 10 до 15%. Из-за этого покупателя приходится доплачивать «сверху» за дополнительные неточности показаний прибора учета, нарушения, связанные с низким значением коэффициента мощности.

Реактивная энергия способствует ухудшению качества электрической энергии, искривлению (искажению) фаз, высшим гармоническим колебаниям, теплопотерям, тяжелым загрузкам генераторов, к резким увеличениям по частоте и амплитуде.

Процентное соотношение оборудования, влияющего на реактивную мощность

Проведем анализ разнообразного оборудования, влияющего на повышение реактивной энергии. Асинхронные двигатели – приблизительно 44%, электропечи – 7%, различные преобразовывающие устройства 7%, трансформаторы 34%, электрические провода в линиях передачи 8%. Данные сведения всего лишь приближенные, так как коэффициент мощности объектов электросетевого хозяйства находится в зависимости от их загрузок.

Приведем пример для пояснения, если коэффициент мощности асинхронного двигателя в максимальной загрузке составляет 0,65-0,75, а иногда и 0,8, то при незначительной загрузке его величина составляет всего лишь 0,25-0,35. Это же явление можно отнести и к трансформаторам.

К выше сказанному следует отметить определенные примеры компенсирующих устройств: АФКУ - автоматические фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки, БСК - Батарея статических конденсаторов, УКРМ – устройства компенсации реактивной мощности, синхронные компенсаторы (синхронные двигатели).

Произведем расчет на проверку окупаемости вводимых мероприятий направленных на уменьшение потерь электрической энергии и повышения пропускной способности сети с применением проводов повышенной пропускной способности и устройств компенсации реактивной энергии.

Данный расчет имеет особенность, заключающуюся в том, что правильный выбор устройств компенсации реактивной энергии происходит с учетом температуры применяемого провода. Собственно, само мероприятие, направленное на уменьшение реактивной энергии, представляется главным фактором для улучшения качества расчета потерь энергии принимая во внимание температурную зависимость сопротивления высокотемпературных проводов [1, 2].

Верный подбор УКРМ и проверка окупаемости вводимых мероприятий происходят в неразветвленной сети, представленной на рисунке ниже (рис.1).

Рис. 1. Представленная для расчета сеть

Условия проведения исследований представлены в таблице 1 [3, 4, 6].

Таблица 1

Исходные данные к расчету неразветвленной сети с номинальным напряжением 10,5 кВ при мощностях нагрузки P=5000 кВт, Q=3600 квар

На начальной стадии осуществляем выбор устройств компенсации реактивной мощности, основываясь из минимальных расходов.

Данный вопрос возможно разрешить на основе формулы для годовых приведенных затрат.

(1)

где К – капиталовложения на установку УКРМ и новую линию
ВЛ-10 кВ АСПТ-50/8 мм2; Е_н – коэффициент приведения капиталовложений; И– годовые эксплуатационные издержки; а_р – норма ежегодных отчислений на ремонт, обслуживание и амортизацию электрооборудования; С_э– стоимость электроэнергии; ΔР_л и ΔР_ку – потери мощности соответственно в линии и в УКРМ; Т– интегрирующий множитель, переводящий потери мощности в потери энергии и имеющий размерность времени; U – напряжение сети; R – активное сопротивление линии; ρ_уд – удельные потери активной мощности в УКРМ.

В вычислении стоимости затраченных средств с учетом температуры и без учета температуры рассматривались затраты на потери энергии, вызванные протеканием активной энергии. Активная мощность в обоих вариантах принималась как переменная величина, зависящая от сопротивления и температуры [5]. Это и есть отличительная сторона расчета затраченных средств. (табл. 2)

Таблица 2

Выбор УКРМ, исходя из минимальных расходов

Длина линии, км	, квар	Стоимость УКРМ и стоимость новой линии, тыс. руб	, тыс. руб		, квар		tgφ	tпровод °С
			Учит-ся tпровод	Не учит-ся tпровод	Не учит-ся tпровод	Учит-ся tпровод
0,3	2250	518,8	633,526	795,152	2250	2700	0,27	103
	2700	615,9	644,055	790,960			0,18	98,4
0,4	2250	528,8	796,543	1012,044	2250	2700	0,27	103
	2700	625,9	800,993	996,867			0,18	98,4
0,6	2700	645,9	1114,87	1408,681	2700	3150	0,18	98,4
	3150	733,1	1119,782	1397,894			0,09	96
0,8	2700	665,9	1428,747	1820,495	3150	3150	0,18	98,4
	3150	753,1	1426,364	1797,181			0,09	96
	3600	826,8	1440,746	1804,711			0	95,2
1	2700	685,9	1742,624	2232,308	3150	3150	0,18	98,4
	3150	773,1	1732,947	2196,468			0,09	96
	3600	846,8	1744,897	2199,854			0	95,2

Итоги изучения по окупаемости вышеперечисленных вводимых мероприятий оценим по формуле:

, (2)

где И_ПМ и И_исх– годовые эксплуатационные издержки соответственно после ввода мероприятия и в исходном состоянии; И_а,ПМ и И_а,исх– составляющие издержек на амортизацию, обслуживание ремонт оборудования соответственно после ввода мероприятия и в исходном состоянии; W_ПМиW_исх– потери электрической энергии после ввода мероприятия и в исходном режиме.

Следует отметить, чтоW_ПМ уменьшаются так как:

1. Уменьшается протекающая реактивная энергия;
2. Уменьшается активное сопротивление применяемых проводов;
3. Уменьшаются потери на транспортировку активной мощности.

Оценим полезность мероприятий (табл. 3) при помощи характерных данных сроков окупаемости с учетом и без учета температуры.

Таблица 3

Затраты и проверка окупаемости вводимых мероприятий направленных на уменьшение потерь электрической энергии и повышения пропускной способности сети с применением проводов повышенной пропускной способности и устройств компенсации реактивной энергии

Длина линии, км	Расчет без учета tпр			Расчет с учетом tпр
	Qку,опт, квар	Стоимость УКРМ и стоимость линии,тыс. руб	Tок, лет	Qку,опт, квар	Стоимость УКРМ и стоимость линии,тыс. руб	Tок, лет
0,3	2250	518,8	4,22	2700	615,9	1,76
0,4	2250	528,8	2,79	2700	625,9	1,26
0,6	2700	645,9	1,88	3150	733,1	0,9
0,8	3150	753,1	1,49	3150	753,1	0,67
1	3150	773,1	1,18	3150	773,1	0,54

Вводимые мероприятия являются целесообразными, так как срок окупаемости даже при минимальной длине линии и без учета температуры применяемого высокотемпературного провода меньше 5 лет, соответственно с увеличением длин проводов, ростом реактивной мощности компенсирующего устройства, учетом температуры применяемого провода, срок окупаемости стремительно уменьшается.

Вывод:

Одновременное применение высокотемпературных проводов и компенсация реактивной мощности с учетом температуры применяемых проводов ведут к значительному повышению пропускной способности линий и снижению потерь электроэнергии.

Затраты на приобретение проводов с повышенной пропускной способностью, а также затраты на вводимое мероприятие по компенсации реактивной мощности очень быстро окупаются при их эксплуатации.

Это доказывают результаты исследований по срокам окупаемости мероприятий по увеличению пропускной способности линий энергосистемы.

Таким образом, проведен расчет сроков окупаемости мероприятий по увеличению пропускной способности линий энергосистемы и мероприятий по снижению потерь энергии на примере использования высокотемпературных провод и компенсации реактивной мощности, направленный на анализ и аудит энергопотребления и выработке методики применения высокотемпературных проводов и компенсации реактивной мощности.

Литература:

1. Гиршин С. С. [и др.]. Математическая модель расчета потерь мощности в изолированных проводах с учетом температуры // Омский научный вестник. – 2009. – № 3. – С. 176–179.
2. Гиршин С. С. [и др.]. Уточнение метода расчета температуры провода при постоянной нагрузке с учетом климатических факторов // Омский гос. техн. ун-т. – Омск, 2010. – С. 23. – Деп. в ВИНИТИ 08.04.2010, N198-В2010.
3. Герасимова В. Г. Электротехнический справочник: В 4 т. Т. 1 / В. Г. Герасимова, А. Ф. Дьякова, Н. Ф. Ильинского, В. А. Лабунцова, В. П. Морозкина, И. Н. Орлова, А. И. Попова, В. А. Строева. – М. : Изд-во МЭИ, 1995. – 440 с.
4. Макаров Е.Ф. Справочник по электрическим сетям 0,4-35 кВ и 110-1150 кВ.В 5 т. Т. 2. – М.: ПапирусПро, 2003. – 640 с.
5. Петрова Е.В. [и др.]. Учет температурной зависимости сопротивления неизолированного провода при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока. – 2013. – № 1. – С. 284–291.
6. Файбисович Д.Л. Справочник по проектированию электрических сетей. – М.: ЭНАС, 2009. – 392 с.
7. Радкевич, В. Н. Оценка снижения потерь активной мощности в трансформаторах при установке батарей низковольтных конденсаторов / В. Н. Радкевич, М. Н. Тарасова // Энергетика. Изв. высш. учеб. заведений и энерг. объединений СНГ. 2014. № 5. С. 27–37.
8. Железко, Ю. С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии / Ю. С. Железко. М.: Энергоатомиздат, 1985. 224 с.
9. Радкевич, В. Н. Электроснабжение промышленных предприятий / В. Н. Радкевич,В. Б. Козловская, И. В. Колосова. Минск: ИВЦ Минфина, 2015. 589 с.