Обзор методов повышения пропускной способности линий электроэнергетических систем



В статье проведён обзор способов повышения пропускной способности линий электропередачи на основе применения высокотемпературных проводов, компенсации реактивной мощности.

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

Проблема:

В ХХI веке в Мире наблюдается рост потребления электрической энергии. В России, как и во всем Мире, с ростом потребления электроэнергии наблюдается проблема ограниченности пропускной способности электроэнергетических сетей. По данным открытого акционерного общества «ФСК ЕЭС» на пропускную способность электроэнергетических систем негативно влияет значительный износ оборудования. Сведения приведены ниже в таблицах (табл. 1, 2) [1].

Таблица 1

Электроэнергетические системы ОАО «ФСК ЕЭС»

Суммарное расстояние электроэнергетических систем, тыс. км	125
Износ объектов электросетевого хозяйства	57 %
В работе не менее 45 лет	27 %
Суммарные энергопотери млрд. кВтч	24
Суммарные энергопотери	5 %

Таблица 2

Электроэнергетические системы ПАО «МРСК Сибири»

Суммарное расстояние электроэнергетических систем, тыс. км	2000
Износ объектов электросетевого хозяйства	67 %
В работе не менее 45 лет	7 %
Суммарные энергопотери млрд. кВтч	57
Суммарныеэнергопотери	9 %

Для удовлетворения потребности нужд народного хозяйства и населения страны в электрической энергии в работу вводятся дополнительные генерирующие мощности по производству электроэнергии, а также ведется модернизация передающих сетей электроэнергетических систем. Модернизация сетей происходит при помощи классических методов, а также использованием новых технологий в электроэнергетике и электротехнике [2].

Частный случай компенсации реактивной мощности, как увеличение пропускной способности сетей, представляет собой решение проблемы уменьшения энергопотерь и недостаточности пропускной способности сетей.

По результатам исследования ведущих специалистов видно, что электрическая энергия входит в состав стоимости продукта в количестве 35–45 %. Это сильный довод того, чтобы внимательно отнестись к исследованию и экспертизе энергопотребления, а также правильного выбора метода компенсации реактивной энергии.

Актуальность:

27 сентября 2012 г. на заседании Правительства Российской Федерации была представлена Программа модернизации российской электроэнергетики до 2020 г. Одним из ключевых показателей в рамках реализации Программы было определено снижение потерь в сетях единой национальной энергетической сети до 4 % и в распределительном комплексе сетей России — с 9 до 6,5 %.

А так же согласно генеральному плану роста электропотребления ежегодный уровень потребления электрической энергии будет увеличиваться на 2 %.

В такой ситуации, встает вопрос об уменьшении потерь в электрических сетях и увеличении пропускной способности сетей.

Новизна:

Одни из главных мест в электроэнергетике занимают методы по снижению потерь энергии (в частности компенсация реактивной мощности), улучшения пропускной способности энергосистем (применение высокотемпературных проводов — проводов повышенной пропускной способности), в том числе и подъем качества электроэнергии [3].

Одновременное применение вышеперечисленных методов существенно позволяет решить проблему огромных потерь электроэнергии и недостаточности пропускной способности существующих сетей.

Высокотемпературные провода повышенной пропускной способности.

На данный момент в мире производят высокотемпературные провода 4 типов базисных конструкций [4]:

— с круглыми жилами (рис. 1);

Рис. 1. Высокотемпературный провод с круглыми жилами

— с трапециевидными жилами (рис. 2);

Рис. 2. Высокотемпературный провод с трапециевидными жилами

— с зазором (рис. 3);

Рис. 3. Высокотемпературный провод с зазором

— с Z-образными жилами (рис. 4);

Рис. 4. Высокотемпературный провод с Z-образными жилами

Для производства токопроводящих проволок проводов с повышенной пропускной способностью используются:

— 100 % отожженный Al

— термобработанные сплавы (Al-Zr).

Основные предприятия-производители:

- «J-Power System Corporation»;

- «3М»;

- «Lumpi-Berndorf провода и Seilwerk GmbH»;

- «Nexans»;

- ООО «ЭМ–Кабель».

Продукты (табл. 3) вышеуказанных предприятий занимают главенствующее положение в мировой экономике продажи объектов электроэнергетической отрасли.

Таблица 3

Приведение продукции иее производителей

Фирма	Продукция
«J-Powеr System Corporation»	GTACSRS, GZTACSRS
«3М»	ACCR
«Lumрi-Berndorf провода и Seilwerk GmbH»	TACSRS/ACS, TACSR/HACIN
«Nexans»	AERO–Z, AAAC, ACAR,
ООО «ЭМ–Кабель»	АСПТ АТ1 /20SA

Расходы на приобретение данных проводов довольно скоро окупаются при их внедрении (увеличения пропускной способности, сокращаются объёмы аварийно-восстановительных работ из-за повреждения провода). Преимущества, которые дает применение проводов с повышенной пропускной способностью по сравнению со стандартными неизолированными линиями:

 повышенная надежность в зонах снегопадов, гололедообразования и тяжёлых ветровых районах;

 мощная крепость жил и, соответственно, меньшая вероятность их обрыва;

 отсутствие разрушения (окисления, ржавления) жил;

 самодемпфирование;

 минимальные провисания (прогибы);

 незатруднительный процесс разрушения обледенения;

 Полтора — двукратное повышение пропускной способности при тех же условиях.

Стоит отметить и недостатки:

 стоимость ВЛ в 1,5–2 раза выше по сравнению с обычным проводом;

 сложные требования к защитной аппаратуре;

 трудности при монтаже в условиях низких температур.

Основные достоинства вышеперечисленных ВЛ и причины, объясняющие достоинства, представлены в таблице (табл. 4).

Таблица 4

Достоинства ВЛ свысокотемпературными проводами

Преимущества	Объяснение
Минимальные провисания	Объясняется крепостью жил и, как следствие, минимальная возможность их обрыва.
Незатруднительный процесс разрушения обледенения	Довольно большие значения плотности тока, и как правило, более высокая температура
Повышенная пропускная способность	Высокая рабочая температура; при одном и том же сечении более низкое активное сопротивление;

Компенсация реактивной энергии как способ увеличения пропускной способности сетей иуменьшения энергопотерь вних.

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 [5],

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

- повышению качества электрической энергии, снижению искривления вида напряжения) [6],

- 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 [7].

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 истатистическая 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 покупателю 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.

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 [8].

Литература:

1. Электроэнергетика [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://portal-energo.ru/articles/details/id/621 (дата обращения: 08.09.2016).
2. Щеглов Н. В. Современные подходы к совершенствованию и развитию воздушных линий электропередачи. / Н. В. Щеглов //Четвертая Российская научно-практическая конференция с международным участием «Линии электропередачи 2010: проектирование строительство опыт эксплуатации и научно технический прогресс» — Новосибирск.— 2010. –С. 64–70.
3. Энергетическая стратегия России: изменяющийся взгляд на развитие электроэнергетики / Н. И. Воропай, В. А. Стенников // Энергетическая политика. — 2013. — № 2. — С. 66–71.
4. Колосов, С. В. Повышение пропускной способности ВЛ: анализ технических решений / С. В. Колосов, С. В. Рыжков:- М.: ЗАО НТЦ «Электросети». — 2011.– 36 с.
5. 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.
6. Железко, Ю. С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электроэнергии / Ю. С. Железко. М.: Энергоатомиздат.— 1985.— 224 с.
7. Радкевич, В. Н. Электроснабжение промышленных предприятий / В. Н. Радкевич, В. Б. Козловская, И. В. Колосова. Минск: ИВЦ Минфина. — 2015.— 589 с.
8. Бигун, А. Я. Учет температуры проводов повышенной пропускной способности при выборе мероприятий по снижению потерь энергии на примере компенсации реактивной мощности / А. Я. Бигун, С. С. Гиршин, Е. В. Петрова, В. Н. Горюнов // Современные проблемы науки и образования. — 2015. — № 1. — С. 212.