УДК 620.91

ПУТИ УМЕНЬШЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ЕЕ ПРОИЗВОДСТВА, РАСПРЕДЕЛЕНИИ, ПЕРЕДАЧИ И ПОТРЕБЛЕНИЯ В ПРОМПРЕДПРИЯТИЯХ

Алимходжаев Камолиддин Тиллаходжаевич1, Пардабоев Ахрор Дехконбой угли2
1Ташкентский государственный технический университет имени Ислама Каримова, д.т.н., профессор кафедры «Электрические машины»
2Ташкентский государственный технический университет имени Ислама Каримова, магистрант

Аннотация
Проблема компенсации реактивной мощности всегда занимала важное место в общем комплексе вопросов повышения эффективности передачи, распределения и потребления электрической энергии. Правильное решение таких задач в значительной мере предопределяет экономию денежных и материальных ресурсов, повышение качества электроснабжения. Основные вопросы компенсации реактивной мощности должны рассматриваться с учетом современных взглядов и с учетом новых технических решений в этой области.

Ключевые слова: , , , ,


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Алимходжаев К.Т., Пардабоев А.Д. Пути уменьшения потерь электроэнергии в системе ее производства, распределении, передачи и потребления в промпредприятиях // Современные научные исследования и инновации. 2017. № 12 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2017/12/84949 (дата обращения: 15.01.2018).

С первых дней независимости Республики Узбекистан процесс эффективного использования энергетических ресурсов был поставлен в ранг государственной важности. В этой связи, в электроэнергетической отрасли одновременно с ростом производства электроэнергии путем строительства новых (включая станция с альтернативными источниками энергии) и модернизации старых электростанций, особое внимание уделяется рациональному использованию электроэнергии при ее производстве, передаче, распределении и использовании потребителями. В этой связи, особое место занимает разработка мер по сокращению потерь энергии на отдельных стадиях технологического процессаот производства до потребления электрической энергии.

Исследования по сокращению потерь энергии в народном хозяйстве, начиная от стадии производства электроэнергии, до ее преобразования в полезную работу потребителем, принято рассматривать отдельно: потери энергии при ее производстве на станциях (потери при сжигании топлива, в турбине, генераторе, на шинах, трансформаторе); потери на линии (линии электропередач, подстанциях); внутризаводские потери.

Целью данной работы является разработка рекомендаций по снижению потерь на линии и внутризаводских потерь электроэнергии.

Сокращение потерь энергии при производстве электроэнергиина тепловых электростанциях (ТЭС) достигается путем их модернизации с использованием оборудования, построенного на основе последних достижений науки и техники (Навоийская, Талимарджанская ТЭС и Ташкентская ТЭЦ). Эффективность использования любого вида топлива для преобразования в электрическую энергию оценивается удельным расходом условного топлива на производство единицы электрической энергии.Несмотря на то, что для производства электрической энергии сжигание органического топлива считается расточительным, доля ТЭС в общем объеме выработки электроэнергии в стране составляет около 95%. В настоящее время идет процесс модернизации оборудования на ТЭС. Так, если до модернизации некоторых ТЭС расход сжигаемого условного топлива на 1 кВт мощности составлял 450-500 граммов, то после замены на парогазовые установки эти цифры снизились до 240 граммов. Переход в дальнейшем к освоению бесконечных запасов ветровой и солнечной энергии для производства электроэнергии позволит значительно сократить расходы органического топлива  и электрической энергии при ее производстве.

Потери энергии на линиях- это разность электроэнергии, отпущенной в сеть производителями(станциями), замеряемой счетчиками на их выходе и полезно используемой, измеряемой по суммарному показанию счетчиков на входе всех потребителей и оплачиваемой ими. Эти потери называются общими или относительно общими, которые в целях удобства их анализа, разделяют на технологические и коммерческие составляющие. Относительно общие потери выражаются в процентах от полезно отпущенной энергии в сеть [1,2].

Технологические потерина линии электропередач (ЛЭП) определяются только расчетным путем. Их появление объясняется физическими процессами передачи и распределения электроэнергии: джоулевые потерив проводниках линии электропередач, обмоток трансформаторов, которые расходуются на нагрев проводников,пропорциональны сопротивлению проводников и квадрату тока (зависят от величин нагрузки и реактивной энергии); потери энергии в магнитопроводе трансформаторов – условно-постоянные (не зависят от величин нагрузок), которые расходуются на нагрев магнитопровода трансформатора.

Коммерческие потери-разность общих и технологических потерь, выражаются в кВт·ч или в процентах от общих потерь.

Во всем мире величина общих потерь в зависимости от различных факторов – географического расположения, политического,экономического и социальногоустройствастраны – колеблется от 4-5% (США, Канада, Япония, Южная Корея) до 30-37% (страны Южной Америки, Африки). В странах Западной Европыэтот показатель не превышает 6-7%, в Российской Федерации 11-13%, в других странах СНГ этот показатель составляет 12-20% и более [2].

Минимизация относительных общих потерь энергии, в частности коммерческих потерь, в развитых странах добиваются внедрением последних достижений науки, техники и технологии в процесс контроля, учета и реализации электроэнергии. Так, начавшийсяв 2010 году процесс внедренияавтоматизированных систем контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ) на участкеиндивидуальных потребителей АО «ТашГорПЭС»(Мирза Улугбекский район) показал широкие возможностиэтого новшества:облегчение процесса возврата средств за отпущенную электроэнергию потребителям; улучшение показателей по сокращениюкоммерческих и общих потерь.Это достигается внедрением электронных счетчиков у потребителей с устройствами автоматической передачи данных в диспетчерский пункт и отключения при задержке оплаты за использованную электроэнергию потребителем (в соответствии с «Договором о поставке электроэнергии»). Налицо сокращение персонала ненужных контролеров. К сожалению, несмотря на то, что начинаяс 1996 года, в течение двадцати лет вышел целый ряд постановлений Правительства, обязывающий внедрение АСКУЭ в энергосистему Республики, эти мероприятия под различными «предлогами»выполняются замедленными темпами.Если добиться полного внедрения единой АСКУЭ на предприятиях по производству электроэнергии, ЛЭП, предприятиях – потребителях и в быту, с включением комплексных систем диспетчерского управления, то можно ожидать не только значительного сокращения коммерческих потерь электроэнергии, сокращения численности контролеров, но и проводить детальный анализ по выявлению и устранению причин высоких значений общих, включая коммерческих потерь, их составляющих в любых отдельных участках энергосистемы страны.

Минимизация технологических потерь энергиина линии в нашей стране достигается, в основном, за счет уменьшения реактивной мощности в ЛЭП, соединяющих производителей и потребителей электроэнергии. При этом усилиями организаций по надзору, предприятия – потребители энергии устанавливают коэффициент мощности на входе своего предприятия около единицы (cos > 0,95).

При не выполнении потребителем установленного минимального значения коэффициента мощности на входе предприятия надзорными организациями налагаются штрафные санкции.

Для стимулирования поддержания установленного минимального значения коэффициента мощности на входе потребителя необходимо ввести специальную тарифную систему оплаты электроэнергии. Например, при cos > 0,95 тариф за использованную электроэнергию должен быть минимальным, при его уменьшении ниже минимального значения тарифдолженступенчато возрастать. Т.е. необходимо утвердитьдифференцированную таблицу тарифов платы за использованную электроэнергию в зависимости от коэффициента мощности на входе предприятия. Внедрение АСКУЭ, упомянутую выше, позволит производить расчеты за отпущенную электроэнергию автоматически.Это должно стимулировать потребителей к увеличению коэффициента мощности нагрузки и тем самым приведет к уменьшению потерь электроэнергии.

Сегодня поддержание необходимого значения коэффициента мощности cosjна входе потребителя обеспечивается, в основном, за счет компенсации реактивной мощности (статические компенсаторы, синхронные двигатели и синхронные компенсаторы), необходимой для создания магнитного потока в трансформаторах (Тр) и асинхронных двигателях (АД) потребителей. При этом, в литературе вопросы внедрения результатов исследований по уменьшению величин потерь мощности внутри самих предприятий (внутризаводские потери) особо не акцентируются, тогда как, энергетический аудит отдельных крупных предприятий нашей страны показывает, что они достигают 7-8% от потребляемой активной мощности.

Внутризаводские потери энергии, складываются из потерь электрической энергии, создаваемых, в основном:

а)джоулевыми потерями в проводах кабельных линий, обмотках электрических машин и трансформаторов, которые нагревают их;

б) магнитными потерями в электрических машинах и трансформаторах, создающихся из-за перемагничивания магнитных систем (явления гистерезиса и вихревых токов), которые нагревают магнитные системы;

в) другими потерями, которые существуют из-за наличия вращающихся элементов двигателей, наличия высших гармонических составляющих токов, несимметричности приложенного напряжения.

А. Джоулевые потери,пропорциональныеактивному сопротивлению проводовraи квадрату тока, определяемых законом Джоуля-Ленца (r·I2), складываются из потерь, создаваемых в проводниках от активных Iaи реактивных Ipсоставляющих тока. В их числе, потери в обмотках АД и Тр составляют 40-50% от потерь в электрических машинах и трансформаторах [1,3]. Активные составляющие тока в них служат для выполнения полезной работы электрооборудованием производственного механизма и потери энергии от их протекания в проводах неизбежны. Возможности минимизации этих потерь будут рассмотрены ниже. Реактивные (индуктивные) составляющие тока кроме создания магнитных потоков в обмотках и магнитопроводе электрических машин и трансформаторов, не участвуют в создании какой-либо полезной работы в технологическом процессе, но ограничивают протекание активных составляющих токовIaв проводниках и обмотках электрических машин и трансформаторов.

Соотношения токов Iaи Ip в разных конкретных участках электрической схемы предприятия определяются коэффициентом мощности на это участке cosjпоследующему аналитическомувыражению

Здесь точки над I означают, что токи выражены векторными величинами.

Сокращение реактивных (индуктивных) составляющихпотерьосуществляется в основном за счет их компенсации. Это достигается путем создания реактивных (емкостных) составляющих тока, т.е. использованием синхронных компенсаторов (СК), синхронных двигателей (СД) или статических конденсаторных компенсаторов (КК).

На предприятиях, в составе электрооборудования которых отсутствуют СД или СК, пользуются компенсатором реактивной мощности из КК. Обычно КК и СК присоединяют к входным зажимам схем электроснабжения предприятия (рис.1). Реактивная мощность, необходимая для создания магнитного потока вТри АД внутри предприятия вырабатывается, и передаются от КК или СК. При этом наружная сеть освобождается от реактивных токов, коэффициент мощности которой близок к единице. Вовнутризаводских проводниках будут протекать реактивные токи (помимо активного составляющего тока). Они суммируются с активными составляющими токов нагрузки в токопроводящих шинах, кабельныхлинияхиобмотках электрических машин и трансформаторов инагревают их.

Если в составе электрооборудования предприятия имеются СД (шаровые мельницы, насосные станции), компенсацияреактивной мощности осуществляется изменением степени возбуждения СД (емкостный режим). При этом реактивная мощность, необходимая для Тр и АД обеспечиваются СД и при протекании реактивных токов создаются джоулевые потери в проводниках.

Выбор тех или иных методов компенсации реактивной мощности, приведенных выше, зависит от соотношения длины проводов, по которым протекают реактивные токи. Как правило, в крупных предприятиях с СД длина кабельных линий, соединяющих источники и потребители реактивной энергии, составляет сотни иногда тысячи метров.Реактивные токи проходят также через обмотки трансформаторов, находящихся между СД и АД.Поэтому, для таких предприятий – потребителей электроэнергии оба метода не приводят к существенному сокращению внутризаводских потерь.Так, например, межцеховые замеры активной и реактивной мощностей, проводившиеся на одном из предприятий страны в течение длительного времени показали, что на входе цехов, электрооборудование которых состоит из СД, Тр и АД, коэффициент мощности колеблется от 0,95 (емкостный характер) до 1,0 (за счет полной компенсации реактивной мощности в данном цехе). На входе цехов, электрооборудование которых состоит только из АД и Тр, коэффициент мощности колеблется от 0,4 до 0,7.

Для снижения джоулевых потерь в крупных предприятиях, вданной статьепредлагаются принять к внедрениюметоды, основанные:

а) на минимизации длины проводников с реактивными токами;

б) минимизации реактивного тока в проводниках.

Обеспечение сокращения длины проводников, по которым протекают реактивные токи для компенсации реактивной мощностивозможно следующим образом:

1. Синхронные двигателив цехах, кроме своих прямых назначений по преобразованию электрической энергии в механическую работу,должны служить еще для питания реактивной мощностью Д и Тр., расположенные только в данном цехе или на близком расстоянии от СД. На рис.2 это оборудованиепоказано прямоугольником 1 с пунктирными линиями.

2. Каждый из крупных АД, находящихся на удаленном расстоянии от СД, должныбыть снабжены собственными конденсаторными компенсаторами (на рис.2 они показаны прямоугольниками 2 и 3).

Рис.1. Схема электроснабжения предприятия с КК

3. Группа электрооборудования малой мощности, расположенной в близком расстоянии друг от друга, но отдаленном от СД, также должны снабжаться, отдельными КК (на рис.2 прямоугольник 4).

На входе каждого извышеуказанных трех групп оборудования необходимо поддержание коэффициента мощности около единицы.

Оптимальная длина кабельных линий, соединяющих источники и потребители реактивной мощности, для каждого из первой и второй группы оборудования может быть рассчитана путем сравнения показателей технико-экономических расчетов применения СК или КК и места расположения,а также срока окупаемости внедряемого типа компенсирующего устройства.

Для обеспеченияминимальныхвеличин реактивного тока в проводникахвозможно следующим образом.

Величина реактивного (индуктивного) намагничивающего тока определяется необходимым значением магнитного потока, создаваемого обмоткой статора АДи первичной обмоткой трансформатора, их установленными мощностями и числами витков соответствующих обмоток. При постоянном значении подводимого напряжения и изменении коэффициента загрузки асинхронного двигателя или трансформатора,их реактивный ток остается неизменным. Однако с ростом установленной мощности асинхронных двигателей и трансформаторов величин реактивных составляющих токов растут.

Известно, что рабочие характеристики -функции коэффициента полезного действия η = f( ) и коэффициента мощности cosj= ψ( ) в АД и Трвзависимости от степениих загрузки

имеют экстремальный характер изменения, где  и  полезная мощность на валу,и номинальная мощность двигателя. При этом в асинхронных двигателях и трансформаторах максимальные значения коэффициента полезного действия наблюдаются при значении нагрузки  и коэффициента мощности  при [3,4]. В зависимости от величины установленной мощности АД и Тр, максимальные значения и колеблются в пределах 0,8 0,94 и 0,75-0,92, соответственно. Низкие коэффициенты мощности на входных зажимах цехов с АД и Тр, упомянутые выше, показывают на недостаточную загруженность и недоиспользовании АД и Тр с завышенной установленной мощностью. Следовательно, в этих АД и Тр реактивная (индуктивная) мощность также завышена.

Характеристикаη = f( ) имеет такую форму экстремальной части, что в отрезке  величина  изменяется всего на несколько процентов. В отличие от , форма кривой имеет явно выраженный экстремум и в указанных пределах нагрузки коэффициент мощности от своего максимального значения отличается на несколько десятков процентов. Это свидетельствует о том, что при низких величинах загруженности АД и Тр, их реактивная мощность,  хотя и остается неизменной, доля реактивной составляющей в составе результирующего тока растет с уменьшением значений , следовательно, реактивная составляющая джоулевых потерь будет возрастать.

Рис.2. Рабочие характеристикиη   и  cosjасинхронного двигателя и трансформатора

Использование асинхронных двигателей и трансформаторов с уменьшенными установленными мощностями, близкими к номинальной величине позволит сократить их реактивные токи до минимальных значений.

Б. Магнитные потери в асинхронных двигателях и трансформаторах, создающиеся в результате протекания переменного магнитного потока в их магнитопроводе составляют 40-45% от суммарных потерь в электрических машинах и трансформаторах [3,4]. Известно, что магнитные потери, вызываемые явлением гистерезис и вихревыми токами пропорциональны величине магнитного потока в п-ной степени. Минимизация этих потерь предлагается осуществлять посредством уменьшения величины магнитного потока в АД и Тр до оптимальных их значений, которое осуществляется путем уменьшения их установленной мощности, рассмотренное выше.

В. Другие виды внутризаводских потерь, которые существуют из-за наличия вращающихся элементов двигателей, высших гармонических составляющих токов в проводах, несимметричности приложенного напряжения и все остальные виды потерь, непосредственное измерение которых практически не представляется возможным, составляют до 10% от общезаводских потерь.

Рис.3. Предлагаемая схема электроснабжения крупного предприятия СД и КК

Уменьшение механических потерь, вызываемых в электрических машинах, расходуются на трение вращающихся частей о воздух (вентиляция), подшипниках и т.д. регламентируются условиями их эксплуатации.

Синусоидальность и не симметрия напряжений является важным показателем качества электроэнергии, которая обеспечивается электроснабжающим предприятием – первичные источники электроэнергии (синхронные генераторы) вырабатывают напряжение практически синусоидальной и симметричной формы. Высшие гармонические составляющие токов и не симметрия напряжения создаются самим потребителем электроэнергии. Токи высших гармонических создаются нелинейным характером нагрузки, к которым относятся статические преобразователи формы тока (тиристорные выпрямители, тиристорные преобразователи частоты – инверторы, электросварочные агрегаты и т.д.). Высшие гармонические составляющие токов создают дополнительные потери мощности в электрооборудовании и на ЛЭП. Не симметрия напряжения создается потребителем однофазного включения освещения и других видов нагрузки следствием, которого являются возникновение дополнительных потерь.

Указанные выше потери будут довольно значительными при большом коэффициенте искажения синусоидальности кривых напряжения и тока. Для обеспечения небольшого искажения синусоидальности кривых напряжения и тока, мощность источника питания должна быть как минимум в десятки раз больше мощности нелинейной нагрузки. Эти условия вполне выполняются во вновь вводимых устройствах – частотно-управляемых электроприводах технологических процессов крупных промышленных предприятий.

Таким образом, в результате анализа определены пути уменьшение потерь электроэнергии в системе ее производства, распределении, передачи и потребления в промпредприятиях:

1. Необходимо ускорить темпы внедрения АСКУЭ в процесс производства, передачи, распределения электроэнергии, позволяющей:

- автоматизировать процесс производства, учета, передачи, сбыта (возврата средств за отпущенную электроэнергию);

- проводить регулярный дистанционный замер и анализ технологических и коммерческих потерь на отдельных участках энергосистемы.

2. Несмотря на то, что сжигание органического топлива для производства электроэнергии считается расточительным, доля ТЭС в общемобъеме выработки электроэнергии в стране сегодня составляет около 90%. Если считать, что абсолютные значения этих величин для ТЭС остаются без изменения, переход к освоению бесконечно больших запасов ветровой и солнечной электроэнергии, позволит значительно сократить относительные расходы топлива при производстве электроэнергии.

3. Для сокращения реактивной составляющей тока в кабельных линиях внутри предприятий, необходимо правильно выбирать установленную мощность АД и Тр при их проектировании. Действующее оборудование завышенной установленной мощности необходимо заменить в процессе текущего или капитального ремонта на оборудование, работающее с номинальной нагрузкой.

4. Необходимо сократить длины кабельных линий, по которым протекают реактивные токи. Для этого каждый крупный АД и Тр, находящиеся на удаленном расстоянии от СД, необходимо снабжать индивидуальными КК. Группа электрооборудования малой мощности, расположенной в близком расстоянии друг от друга, также снабжать отдельным КК.

Поделиться в соц. сетях

0

Библиографический список
  1. КуличенковВ.П. Как уменьшить потери электроэнергии. //Ж-л Энергетическая стратегия. Минск. № 3, 2010. С. 20-24.
  2. АллаевК.Р. Энергетика мира и Узбекистана.Аналитический обзор.-Т., 2006. -380с.
  3. Копылов И.П. Электрические машины.–М.: Энергия, 2004.
  4. Иванов-Смоленский А.В. Электрические машины. Учебник для ВУЗов. –М.: Энергия, 1980. -928 с.
  5. Курбанов Ж.Ф., Колесников И.К. Программное обеспечение системы управления единым пространственным полем. Современные состояние и перспективы применения информационных технологий в управлении, доклады республиканской научно – технической конференции, 5-6 сентябрь 2016 г.,  Джизак.
  6. Janibek Kurbanov. Management and hardware implementation of a single spatial field. International Journal «International Review of Education and Science». No.1. (8), January-June, 2015, Volume II, “Ottawa University Press”.


Количество просмотров публикации: Please wait

Все статьи автора «Мерганов Аваз Мирсултанович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться: