Электроснабжение и повышение энергетической эффективности в электрических сетях


Министерство образования и науки Российской Федерации НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ





А.В. ЛЫКИН



ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ И ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия









НОВОСИБИРСК
2013

УДК 621.311.16(075.8)
      Л 883



Рецензенты: канд. техн. наук, доцент А.Г. Русина, канд. техн. наук, доцент Н.А. Стрельников




            Лыкин А.В.


Л 883 Энергосбережение и повышение энергетической эффективно
      сти в электрических сетях: учеб. пособие / Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2013.-115с.
         ISBN 978-5-7782-2202-1

         Изложены вопросы расчета, анализа и снижения потерь электрической энергии в распределительных электрических сетях. Рассмотрены теоретические и практические методы расчета потерь электрической энергии, применяемые при нормировании потерь электрической энергии, учете электрической энергии, энергосбережении в электрических сетях и проектировании электрических сетей. Приведен перечень типовых мероприятий по снижению потерь электрической энергии и даны примеры оценки их эффективности.


Работа подготовлена кафедрой автоматизированных электроэнергетических систем для магистрантов, обучающихся по направлению 140400 «Электроэнергетика и электротехника» по дисциплине «Распределительные электрические сети», и слушателей курсов повышения квалификации по проведению энергетических обследований





УДК 621.311.16(075.8)


ISBN 978-5-7782-2202-1

                     © Лыкин А.В.,2013
© Новосибирский государственный

технический университет, 2013

            ОГЛАВЛЕНИЕ



Введение............................................. 6
1. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ.............. 10

   1.1. Баланс электрической энергии.............................. 10
   1.2. Структура потерь электрической энергии.................... 14
   1.3. Величина и динамика потерь электроэнергии в электрических сетях.......................................................... 17

   1.4. Потери электрической энергии в элементе электрической сети...
   1.5. Практические методы расчета нагрузочных потерь электрической энергии................................................
   1.6. Метод оперативных расчетов..............................
   1.7. Метод расчетных суток...................................
   1.8. Метод средних нагрузок..................................
   1.9. Метод числа часов наибольших потерь мощности............
   1.10. Метод оценки потерь по обобщенной информации о схемах и нагрузках сети...........................................
   1.11. Метод оценки потерь электроэнергии в линиях 0,38 кВ в зависимости от величины потерь напряжения......................
   1.12. Потери электрической энергии, не зависящие от нагрузки.
   1.13. Потери XX в силовых трансформаторах....................
   1.14. Потери в компенсирующих устройствах....................
   1.15. Потери в соединительных проводах и сборных шинах распределительных устройств подстанций...........................
   1.16. Потери в вентильных разрядниках, ограничителях перенапряжения, устройствах присоединения ВЧ-связи..................
   1.17. Потери электрической энергии в измерительных трансформаторах и счетчиках прямого включения........................
   1.18. Потери в изоляции кабельных линий......................
   1.19. Потери электрической энергии, обусловленные допустимой погрешностью системы учета.................................


20

24
25
25
31
34

36

40
44
46
48

49

50

52
52

53


3

2. МЕРОПРИЯТИЯ ПО СНИЖЕНИЮ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ........................................................ 55
   2.1. Структура мероприятий по снижению потерь электрической энергии..................................................... 55
   2.2. Оптимальное управление по напряжению и реактивной мощности в сети 110 кВ и выше........................................ 60
   2.3. Оптимальное управление по месту размыкания сетей с двусторонним питанием 6-110 кВ.................................... 61
   2.4. Проведение переключений в схеме сети, обеспечивающих снижение потерь электроэнергии, за счет перераспределения ее потоков по линиям электропередачи........................... 62
   2.5. Осуществление регулирования напряжения в центрах питания сетей 6-110 кВ, обеспечивающего минимальные потери электроэнергии.................................................. 63
   2.6. Ввод в работу неиспользуемых средств автоматического регулирования напряжения (АРН) на трансформаторах с РПН.......... 63
   2.7. Отключение в режимах малых нагрузок одного из трансформаторов на подстанциях с двумя трансформаторами............... 64
   2.8. Отключение трансформаторов на подстанциях с сезонной нагрузкой......................................................... 67
   2.9. Выравнивание нагрузок фаз в сетях 0,4 кВ............... 68
   2.10. Стимулирование потребителей электроэнергии к выравниванию графиков нагрузки........................................... 70
   2.11. Снижение расхода электроэнергии на собственные нужды подстанций .................................................... 71
   2.12. Установка и ввод в работу устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях энергосистемы.............. 71
   2.13. Замена проводов на перегруженных линиях............... 72
   2.14. Замена ответвлений от ВЛ 0,4 кВ к зданиям............. 73
   2.15. Замена перегруженных, установка и ввод в эксплуатацию дополнительных силовых трансформаторов на действующих подстанциях................................................. 74
   2.16. Замена недогруженных силовых трансформаторов.......... 74
   2.17. Установка и ввод в работу регулировочных трансформаторов.. 76
   2.18. Перевод электрических сетей на более высокое номинальное напряжение.................................................. 76
   2.19. Разукрупнение распределительных линий 0,4-3 5кВ....... 77
   2.20. Применение нового энергосберегающего оборудования...       77

4

      2.20.1. Использование кабелей с изоляцией из сшитого полиэтилена....................................................
      2.20.2. Внедрение симметрирующих устройств на трансформаторах напряжением 10 кВ.................................
      2.20.3. Ввод в работу силовых трансформаторов с уменьшенными потерями мощности 10 кВ.................................
      2.20.4. Использование проводов марки СИП на линиях 0,38 кВ....
      2.20.5. Использование защищенных проводов на линиях 10 кВ....
   2.21. Технико-экономическое обоснование мероприятий по снижению потерь электрической энергии в распределительных сетях.....
      2.21.1. Методика оценки эффективности мероприятий по снижению потерь электрической энергии........................
      2.21.2. Расчет экономической эффективности замены проводов на ВЛ-0,38 кВ...........................................
      2.21.3. Расчет экономической эффективности замены силовых трансформаторов на ТП-10 / 0,4 кВ.......................
      2.21.4. Расчет экономической эффективности компенсации реактивной мощности.........................................
Библиографический список......................................
Приложения....................................................
Приложение 1. Потери, определяемые погодными условиями (климатические потери).......................................
П1.1. Потери на корону........................................
П1.2. Потери от токов утечки по изоляторам воздушных линий электропередачи..............................................
П1.3. Расход электроэнергии на плавку гололеда................
Приложение 2. Параметры воздушных линий электропередачи.......
Приложение 3. Параметры кабельных линий электропередачи.......
Приложение 4. Параметры распределительных трансформаторов 6-20 кВ

77

78

79
79
80

80

80

83

87

91
95
96

96
96

99
100
101
105


107

                ВВЕДЕНИЕ






   Сбережение электрической энергии во всех сферах ее потребления позволяет высвободить имеющиеся генерирующие мощности и отсрочить ввод новых электроэнергетических блоков на строящихся электростанциях. Снижение потерь электрической энергии при ее передаче и потреблении приводит к энергосбережению и повышению энергетической эффективности работы энергетического и промышленного оборудования.
   В ноябре 2009 г. в нашей стране принят новый закон РФ № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации». Закон предусматривает создание правовых, экономических и организационных основ стимулирования энергосбережения и повышения энергетической эффективности.
   В нем прописаны принципы правового регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности:
   1)    эффективное и рациональное использование энергетических ресурсов;
   2)     поддержка и стимулирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   3)     системность и комплексность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности;
   4)     планирование энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   5)     использование энергетических ресурсов с учетом ресурсных, производственно-технологических, экологических и социальных условий.
   В области энергосбережения и повышения энергетической эффективности в РФ законом вводится государственное регулирование, которое установливает:
   1)     требования к обороту отдельных товаров, функциональное назначение которых предполагает использование энергетических ресурсов;

6

   2)     запреты или ограничения производства и оборота в Российской Федерации товаров, имеющих низкую энергетическую эффективность, при условии наличия в обороте или введения в оборот аналогичных по цели использования товаров, имеющих высокую энергетическую эффективность, в количестве, удовлетворяющем спрос потребителей;
   3)    обязанность по учету используемых энергетических ресурсов;
   4)     требования энергетической эффективности зданий, строений, сооружений;
   5)     обязанность проведения обязательного энергетического обследования;
   6)    требования к энергетическому паспорту;
   7)     обязанность проведения мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в отношении общего имущества собственников помещений в многоквартирном доме;
   8)     требования энергетической эффективности товаров, работ, услуг, размещение заказов на которые осуществляется для государственных или муниципальных нужд;
   9)     требования к региональным, муниципальным программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   10)     требования к программам в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности организаций с участием государства или муниципального образования и организаций, осуществляющих регулируемые виды деятельности;
   11)     основы функционирования государственной информационной системы в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   12)     обязанность распространения информации в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   13)     обязанность реализации информационных программ и образовательных программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности;
   14)     порядок исполнения обязанностей, предусмотренных Федеральным законом РФ № 261-ФЗ;
   15)     иные меры государственного регулирования в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности в соответствии с Федеральным законом РФ № 261-ФЗ.
   Понятия энергосбережения и энергетической эффективности в Федеральном законе РФ от 23 ноября 2009 года № 261-ФЗ определены следующим образом:

7

   •     энергосбережение - реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг);
   •     энергетическая эффективность - характеристики, отражающие отношение полезного эффекта от использования энергетических ресурсов к затратам энергетических ресурсов, произведенным в целях получения такого эффекта, применительно к продукции, технологическому процессу, юридическому лицу, индивидуальному предпринимателю.
   Распоряжением Правительства РФ от 27 декабря 2010 г. № 2446-р принята Государственная программа РФ «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года». Ее подпрограмма «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности в электроэнергетике» в части электросетевого хозяйства включает повышение технического уровня, расширение освоения и внедрения в ЕЭС России новых энергоэффективных инновационных технологий, разработку на их основе проектных решений.
   В Государственной программе указывается, что ключевыми элементами энергосбережения и повышения энергетической эффективности в электроэнергетике являются наличие российских или иностранных лицензионных технологий с учетом прохождения стадии демонстрационных проектов, их унификация и типовое проектирование. Условием, необходимым для выполнения задач по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в электроэнергетике, служат разработка новых технологий и освоение отечественным энергетическим машиностроением производства нового оборудования.
   Основные технические мероприятия по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в электросетевом хозяйстве направлены на снижение потерь электроэнергии и совершенствование системы коммерческого и технического учета электроэнергии в электрических сетях и у потребителей.
   Планируется выполнение крупномасштабных работ по реконструкции электрических сетей с целью повышения их надежности и эффективности.

8

   Реализация мероприятий Государственной программы должна обеспечить снижение потерь в электрических сетях до 8...9 процентов в 2020 году.
   Настоящее учебное пособие состоит из двух разделов. В первом изложены вопросы анализа и расчета потерь электрической энергии, приведены практические методы расчета потерь в электрических сетях. Во втором разделе рассматриваются мероприятия по снижению потерь электрической энергии, которые являются типовыми для организаций, оказывающих услуги по передаче и распределению электрической энергии и электроснабжению потребителей. В приложении приводятся некоторые данные, необходимые для расчетов потерь электрической энергии и, в частности, по распределительным трансформаторам разных лет выпуска для оценки эффективности мероприятий по снижению потерь электрической энергии.

                1. РАСЧЕТ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ






            1.1. БАЛАНС ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ


   Баланс составляется для многих процессов, протекающих в человеческой деятельности и природе.
   Баланс¹ (фр. balance - весы): 1) форма отражения равновесия взаимосвязанных величин, находящихся в постоянном изменении. Баланс составляется на определенную дату в виде таблицы, поделенной на две части - приход и расход. На макроэкономическом уровне составляются балансы в натуральном (энергобалансы, балансы топлива) и денежном (платежный баланс) выражениях, на микроэкономическом уровне- балансы предприятий, банков и пр.; 2) соотношение между потенциальными возможностями и их использованием.
   Для энергетических объектов составляются энергобалансы и в том числе балансы электрической энергии: количество электрической энергии, поступившей на объект за определенный интервал времени, всегда равно сумме электрической энергии, отданной из объекта и израсходованной внутри него.
   Каждая сетевая организация составляет баланс электрической энергии - систему показателей, характеризующую сумму объемов электроэнергии, переданной потребителям за расчетный период времени, и фактических потерь ЭЭ, возникших в объектах электросетевого хозяйства, принадлежащих такой сетевой организации. Эта сумма равна объему электрической энергии, принятой в объекты электросетевого хозяйства данной сетевой организации и уменьшенной на объем электрической энергии, отданной из объектов электросетевого хозяйства такой сетевой организации в объекты электросетевого хозяйства смежных сетевых организаций и других субъектов оптового и розничных рынков электрической энергии [1].

    ¹ Борисов А.Б. Большой экономический словарь. - М.: Книжный мир, 2003.-895 с.

10

   Из баланса электрической энергии определяют ее фактические потери. Для отдельных объектов сетевой организации из баланса определяют фактический небаланс электрической энергии.
   Баланс составляют для месяца и года. Месячный баланс позволяет вести контроль достоверности показаний и исправности средств учета и служит основой для расчета фактических потерь электрической энергии, подлежащих покупке сетевой организацией. Годовой баланс необходим для оценки показателей энергосбережения и энергетической эффективности сетевой организации, нормирования потерь электрической энергии и формирования тарифов на электрическую энергию. Рассмотрим составляющие баланса электрической энергии для территориальной сетевой организации (ТСО).
   Фактические (отчетные) потери электрической энергии Д W^акт ТСО рассматриваются по соотношению
Д ■¹*'т= ^О С- ⁱr тр,                (1.1)

где Woe - объем электрической энергии, отпущенной в сеть ТСО - отпуск электрической энергии в сеть; И^отр - объем переданной (потребленной) электрической энергии.
   Отпуск электрической энергии в электрическую сеть ТСО И^ос определяется как разность между приемом электрической энергии в сеть и отдачей ее из сети на границе балансовой принадлежности сети:
^о с = ^пэ- &аэ,                    (1.2)

где И'пэ - объем электрической энергии, поступившей в электрическую сеть ТСО по границе балансовой принадлежности - прием электрической энергии; Woo - объем электрической энергии, отпущенной из электрической сети ТСО по границе балансовой принадлежности -отдача электрической энергии.
   Таким образом, потери электрической энергии в ТСО
Д^факт = ^ПЭ - ^ОЭ - ^потр.             (1.3)

   Для сетевых компаний (СК)
Д^фа    ^ПЭ- ^о,э.                   (1.4)

11

   На рис. 1.1 графически показаны балансы электрической энергии для ТСО и СК.

Рис. 1.1. Балансы электрической энергии для ТСО (а) и для СК (б)

   Фактические потери электрической энергии определяют по уровням напряжения:
   •     на высоком напряжении - 110 кВ и выше (ВН) (раздельно для уровней напряжения 110-150 кВ, 220 кВ, 330 кВ, 400-500 кВ и 7501150 кВ);
   •    на среднем первом напряжении - 27,5-60 кВ (CHI);
   •    на среднем втором напряжении - 1-20 кВ (CHII);
   •    на низком напряжении - ниже 1 кВ (НН).
   Отпуск электроэнергии в сеть каждого уровня напряжения (УН):


^УН _ w V| I w V| I w V| I
WOC - WH3 + ”Пиз ССН ⁻ WOЭ .


(1.5)

   Потери электроэнергии определяют раздельно для сети каждого уровня номинального напряжения. Для этого составляется баланс электрической энергии по каждому уровню напряжения по типу (1.3), но с учетом «приема из» и «отдачи в» сети смежного напряжения (рис. 1.2).


д w    ₋ W - W - W ₋
^''факт ''ОС ’г О в ССН ''потр

⁻ WH3 ⁺ Wn из ССН

wₒyf

₋ w ₋ wV|
  ” О в ССН "потр.

(1.6)



12

Рис. 1.2. Баланс электрической энергии для одного уровня напряжения

  В целом по сети ТСО

Д W.x факт

= Д W?н + Д WCHI + Д WCHI¹ + Д WДн ^"факт ^^"факт ^^^факт ^^^факт

(1-7)

   Баланс составляется подробно по объектам и уровням напряжения (табл. 1.1). В таблицу вводят потери, полученные расчетным путем, -технологические потери. Из сопоставления фактических и расчетных потерь электрической энергии находят так называемые нетехнические электрической энергии.


Таблица 1.1

Табличная форма укрупненного баланса электрической энергии ТСО, тыс. кВт • ч

                                   Численное значение показателей      
 №           Наименование              по уровням напряжения           
п/п           показателя           Все-  220   110   20-    6-    До  
                                    го    кВ    кВ  35 кВ  10кВ  1 кВ 
 1  Прием электроэнергии в сеть,                                      
    всего                                                             
 2  Отдача электроэнергии из сети,                                    
    всего                                                             
 3  Прием электроэнергии из сети                                      
    смежного напряжения, всего                                        

13