ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

Уряд країни на саміті Україна-ЄС, який відбувся у лютому 2013 року, повідомив, що розробив "плани на найближче майбутнє щодо впровадження комплексних політичних та соціально-економічних реформ, спрямованих на досягнення європейських стандартів у всіх без винятку сферах". Окремо на саміті обговорювались теми щодо зменшення енергоспоживання та збільшення частки відновлюваних джерел енергії. Для України це питання актуальне як ніколи.

Передача та розподіл електроенергії в електричних мережах обов’язково супроводжується втратами електроенергії. Зниження втрат електроенергії одне із головних питань електроенергетики.

Метою магістерської роботи є аналіз існуючих заходів щодо зниження технологічних втрат електроенергії в електричних мережах та розробка математичної моделі втрат електроенергії методом регресійного аналізу.

1. Актуальність енергозбереження в енергетиці України

Україна відноситься до енергодефіцитних держав, що задовольняють свої паливно-енергетичні потреби за рахунок власної здобичі менш, ніж на 50% [1]. У зв`язку з постійним зростанням світових цін на вуглецеві енергоносії, політика уряду України спрямована на зменшення використання енергоресурсів, що закуповуються за кордоном за рахунок валютних надходжень. Тому, за рахунок такого зменшення, значна доля забезпечення промисловості енергією полягає на електроенергетику.

Енергетичні індикатори, споживання електроенергії Electricity Consumption (TWh) і споживання електроенергії на душу населення Electricity Consumption/Population (kWh/capita) зазначають зростання споживання електроенергії як в Україні так і в державах з розвинутою економікою. Рівень споживання та виробництва електроенергії за 2010 рік деяких країн приведено на рис. 1 (складено на основі [2]).

Рівень споживання та виробництва електроенергії (анімація: 11 кадрів, 5 циклів повторення, 124 кілобайта)

Рисунок 1 – Рівень споживання та виробництва електроенергії
(анімація: 11 кадрів, 5 циклів повторення, 124 кілобайта)

Відповідно з проведеним аналізом електроспоживання в Україні з 1990 р. по 2008 р. можна виділити два основних періоди: з 1990 р. по 2001 р., з 2001 р. по 2008 р., де 1990 р. – рік найбільшого електроспоживання, який приймається за базовий, 2001 р. – рік найменшого електроспоживання.

В період з 1990 р. по 2001 р. спостерігається тенденція щорічного зниження електроспоживання по відношенню до попереднього року. Електроспоживання за цей період зменшилося з 227,2 млрд кВт·г в 1990 році до 122,5 млрд кВт·г в 2001 році, тобто на 104,7 млрд кВт·г, або на 46,1%.

В період з 2001 р. по 2008 р. спостерігається позитивна тенденція щорічного збільшення споживання електричної енергії по відношенню до попереднього року за винятком останнього звітного року (2008 р.), де зафіксовано незначне зменшення електроспоживання – на 0,4%. Приріст електроспоживання за названі 8 років склав 25,4 млрд кВт·г, або 20,7% [3].

Останні декілька років простежується тенденція до поновлення інтенсивного розвитку великих обласних центрів України, таких як Київ, Донецьк, Харків, Дніпропетровськ. Так, м. Київ не тільки досяг в 2008 році рівня електроспоживання базового 1990 року, а і перевищив його на 17,9%. В умовах значних інвестиційних обмежень енергозбереження є найбільш раціональним шляхом енергозабезпечення як суспільного виробництва, так і особистого споживання.

В той же час електроенергетика характеризується кризовими явищами з боку технічного обладнання. Ступінь зношення устаткування в електроенергетиці країни перевищує 50 %. Тому питання впровадження енергозберігаючих технологій вкрай актуальніші. Через високий рівень зносу устаткування зростає рівень втрат електроенергії. Енергозбереження може виступати джерелом додаткових засобів для енергоозброєння електроенергетики.

Енергозбереження є предметом наукових досліджень в реальному часі. Проблемами енергозбереження у Росії та Україні займаються такі вчені як Е.П.Островський, М.В. Самойлов, Ю.С. Железко, С.М. Саф’янц та інші.

2. Заходи щодо зниження витрат електроенергії в електричних мережах

2.1 Класифікація заходів щодо зниження витрат електроенергії

Передача та розподіл електроенергії в електричних мережах обов’язково супроводжується втратами електроенергії. Фактичні втрати електроенергії в електромережах (ФВЕ) містять в собі дві складові:

Технологічні втрати електроенергії в свою чергу підрозділяють на оптимальні технологічні втрати (в умовах оптимального режиму мережі) та власно втрати електроенергії – додаткові технологічні втрати – при відхиленні режиму від оптимального. Крім того, існує ще частка технологічних втрат, яка обумовлена параметрами якості електроенергії і відхиленням показників якості від їх нормативних значень [4]. Подібна класифікація вказує, що частина технологічних втрат електроенергії не є необхідною і їх зниження виявляється економічно доцільним.

Кількісний аналіз технологічних втрат електроенергії виконується при представленні їх в залежності від основних впливаючих факторів. До них відносяться [5]:

Зниження втрат електроенергії здійснюється за допомогою відповідних заходів. Заходи щодо зниження технологічних витрат електроенергії в електричних мережах залежно від обсягу капітальних вкладень поділяються на організаційні и технічні. Технічні заходи пов’язані з капітальними вкладеннями, організаційні – практично ні.

До організаційних заходів відносяться:

До технічних заходів відносяться:

2.2 Установлення пристроїв для компенсації реактивної потужності

Специфікою міських мереж є те, що побудова нових ліній електропередачі пов’язана зі значними витратами і часто просто не можлива з причин щільної забудови міста. Тому доводиться збільшувати потужність енергії, що передається по існуючим лініям, за рахунок збільшення сили струму, але вони вже зношені і застарілі. Ріст потужностей змушує шукати нові шляхи вирішення проблеми.

Одним з ефективних технічних заходів є встановлення і введення в експлуатацію пристроїв для компенсації реактивної потужності. Навантажувальні втрати активної потужності в елементі мережі з опором R при напрузі U визначаються за формулою:

Формула - навантажувальні втрати активної потужності в елементі мережі

В більшості випадків значення P (активна потужність) і Q (реактивна потужність) на елементах мережі спочатку невідомі. Як правило, відомі навантаження у вузлах мережі (на підстанціях). Значення даних величин визначаються за допомогою вимірів за нормативними методиками, що дозволяють визначити дані параметри для різних періодів навантажень – сезонних мінімумів і максимумів.

У електричних колах, що містять комбіноване навантаження, зокрема, активну (лампи розжарювання, електронагрівачі та ін.) і індуктивну (електродвигуни, розподільні трансформатори, зварювальне устаткування, люмінесцентні лампи та ін.) загальну потужність, що забирається від мережі, можна виразити наступною векторною діаграмою:

Діаграма споживання потужності

Рисунок 2 – Діаграма споживання потужності

Відставання струму за фазою від напруги в індуктивних елементах обумовлює інтервали часу, коли напруга і струм мають протилежні знаки: напруга позитивна, а струм негативний і навпаки. У ці моменти потужність не споживається навантаженням, а подається назад до мережі у бік генератора. При цьому електроенергія, що запасається в кожному індуктивному елементі, поширюється по мережі, не розсіваючись в активних елементах, а здійснюючи коливальні рухи (від навантаження до генератора і назад). Відповідну потужність називають реактивною.

Діаграма активної і реактивної потужності

Рисунок 3 – Діаграма активної і реактивної потужності

Повна потужність складається з активної потужності, що здійснює корисну роботу, і реактивної потужності, що витрачається на створення магнітних полів і створює додаткове навантаження на силові лінії живлення. Співвідношення між повною і активною потужністю, виражене через косинус кута між їх векторами, називається коефіцієнтом (чинником) потужності.

Трикутник потужностей

Рисунок 4 – Трикутник потужностей

Активна енергія перетворюється в корисну – механічну, теплову та інші енергії. Реактивна енергія не пов'язана з виконанням корисної роботи, проте вона необхідна для створення електромагнітного поля, наявність якого є необхідною умовою для роботи електродвигунів і трансформаторів.

Споживання реактивної потужності від енергопостачальної організації недоцільно, оскільки приводить до збільшення потужності генераторів, трансформаторів, перетину живлючих ліній та підвищенню активних втрат і падінню напруги.

Тому реактивну потужність необхідно отримувати (генерувати) безпосередньо у споживача. Цю функцію виконують установки компенсації реактивної потужності (КРП), основними елементами яких є конденсатори.

Реактивна потужність при цьому вже не переміщається між генератором і навантаженням, а здійснює локальні коливання між реактивними елементами – індуктивними обмотками навантаження і компенсатором. Така компенсація реактивній потужності (зниження індуктивного струму в системі "генератор – навантаження") дозволяє, зокрема, передати в навантаження велику активну потужність при тій же номінальній повній потужності генератора.

Найефективніше проводити компенсацію реактивній потужності безпосередньо у споживача, але це процес досить довгий і дорогий. Для здобуття швидшого відчутного результату на першому етапі необхідно провести компенсацію реактивній потужності на підстанціях, що дозволить розвантажити мережу і отримати енергозберігаючий ефект в межах 10-20%. Заздалегідь, на підстанціях в мережах 0,4 кВ необхідне вирівнювання навантажень фаз, яке здійснюється шляхом перемикання частини абонентів з перевантажених фаз на недовантажені.

На рівні окремих непромислових споживачів, особливо у житлових будинках з однофазним навантаженням, вирівнювання фаз в такий спосіб здійснити не можна через безперервно змінну величину і характер навантаження. Тому компенсація реактивній потужності на об'єктах повинна здійснюється на кожній окремій фазі. При цьому в кожному випадку повинні враховуватися гармонійні складові, пристрої для компенсації реактивної потужності повинні мати фільтри з автоматичним регулюванням ємності. У даному випадку важливо правильно зробити підбір фільтро-компенсуючого пристрою (ФКП).

Таким чином, для вирішення завдання по КРП необхідно проводити роботу у декілька етапів.

  1. Централізована (груба) компенсація, яка проводиться на підстанціях і включає проведення моніторингу показників якості електроенергії, вирівнювання фаз, фільтрацію струму і встановлення КРП.
  2. Індивідуальна (точкова) компенсація проводиться на рівні кожної квартири або паралельно навантаженню, за допомогою підключення установок КРМ (косинусних конденсаторів невеликої ємності). Даний захід дозволяє забезпечити синусоїдальність струму, тим самим значно зменшуючи технічні втрати. Такі ж заходи повинні проводитися і у середині електроустановок будівель.

Хоча основними споживачами реактивної потужності є промислові і виробничі підприємства, на яких реактивна потужність необхідна для роботи знижувальних трансформаторів, асинхронних двигунів, устаткування електрозварювання, індукційних печей та інших, але не можна скидати з рахунків і непромислові об'єкти. Оскільки в даний час спостерігається збільшення вжитку реактивної потужності в соціально-побутовій сфері за рахунок збільшення числа різних електроприводів, стабілізуючих і перетворюючих пристроїв. Вживання напівпровідникових перетворювачів приводить до погіршення форми кривою струму, що погіршує роботу інших електроприймачів, скорочує термін їх служби, створює додаткові втрати електроенергії. Сучасні люмінесцентні світильники, все ширше вживані у квартирах і офісах, комплектуються дешевими китайськими конденсаторами, термін служби яких зазвичай складає декілька годин. Косинус φ в таких джерел світла складає менше 0,5 [7].

Нормативи рівня компенсації реактивній потужності зазначені у "Державних будівельних нормах України" ДБН В.2.5-23:2010 [8], де приводяться значення розрахункових коефіцієнтів потужності cos φ і реактивного навантаження tg φ житлових будівель, які приведені у таблиці 1.

Таблиця 1 – Значення розрахункових коефіцієнтів в залежності від споживачів електроенергії

Лінія живлення Розрахунковий коефіцієнт
потужності cos φреактивного навантаження tg φ
Квартири з електричними плитами і без побутових кондиціонерів повітря 0,980,2
Квартири з електричними плитами і побутовими кондиціонерами повітря 0,930,4
Квартири з плитами на природному, скрапленому газі, на твердому паливі 0,960,29
Квартири з плитами на природному, скрапленому газі, на твердому паливі і побутовими кондиціонерами повітря 0,920,43
Загальнобудинкове освітлення:
З лампами розжарювання
З люмінесцентними лампами
1,00
0,92
0,00
0,43
Господарські насоси, вентиляційні установки і інші санітарно-технічні пристрої 0,800,75
Ліфти 0,651,17

У розподільчих мережах комунально-побутових споживачів, що містять переважно однофазне навантаження, що змінюється за індивідуальним режимом, пристрої КРМ застосовуються украй рідко. Але, зважаючи, що за останнє десятиліття витрата електроенергії на 1 м2 міського житлового сектора збільшилася втричі, середня статистична потужність силових трансформаторів мереж міської інфраструктури досягла 325 кВА, а зона використання їх трансформаторної потужності змістилася у бік збільшення і знаходиться в межах 250-400 кВА, то необхідність вживання КРМ стає очевидною.

За підсумками проекту компенсації реактивній потужності в житловому будинку протягом одного зимового місяця вдалося скоротити споживання електроенергії на 3% (приєднана потужність будинку складає 400 кВА).

3. Методи розрахунку складових технічних втрат електроенергії

Залежно від повноти інформації про навантаження електричної мережі і виду заходів зі зниження втрат електроенергії для визначення навантажувальних втрат електроенергії рекомендується використовувати такі методи:

Для різних типів електричних мереж рекомендуються такі методи розрахунку.

Метод по елементних розрахунків рекомендується переважно для окремих ліній і трансформаторів (особливо з використанням телевимірювання), втрати електроенергії в яких істотно залежать від транзитних перетікань.

Метод характерних режимів рекомендується для розрахунку втрат електроенергії у транзитній електричній мережі за наявності телеінформації про навантаження вузлів, що періодично передається суб’єкту енергетики.

Метод характерної доби рекомендується як кращий для розрахунку втрат електроенергії у замкнених електричних мережах 110 кВ і вище, що не беруть участі в обміні потужністю. Допускається застосування методу кількості годин максимальних втрат електроенергії.

Метод факторного моделювання навантажень, гармонік що домінують, рекомендуються як кращі для перспективних розрахунків у будь-яких електричних мережах за характерними втратами електроенергії. Точність розрахунків підвищується в разі використання телевимірювання. Ефективним є спільне застосування даних методів.

Метод середніх навантажень рекомендується як кращий для розімкнених електричних мереж 6 – 150 кВ за наявності даних про електроенергію, що пропущена по головній ділянці електричної мережі за період, який розглядається. Допускається використання методу кількості годин максимальних втрат електроенергії. Статистичні методи рекомендуються для визначення втрат електроенергії в електричних мережах 0,38 кВ і виявлення залежності втрат електроенергії від основних факторів, що впливають, в електричних мережах всіх класів напруг.

Для оцінюваного розрахунку втрат електроенергії у розімкнених електричних мережах 0,38 – 6 – 20 кВ як виняток допускається застосування регресійних методів визначення еквівалентних опорів ліній від узагальнених параметрів схеми (сумарній довжині і кількості ділянок ліній, перетину головної ділянки тощо).

Як було наведено вище, для розімкнених електричних мереж 6 – 150 кВ рекомендується метод середніх навантажень. Визначення навантажувальних втрат електроенергії ΔWн у мегават-годинах методами середніх навантажень і кількості годин максимальних втрат електроенергії τ виконують за формулами:

Формула - визначення навантажувальних втрат електроенергії
Формула - визначення навантажувальних втрат електроенергії

де ΔРн.сер і ΔРн.макс – навантажувальні втрати потужності, визначені за середніми і максимальними навантаженнями відповідно, МВт;

Кф – коефіцієнт форми графіка, в.о.;

Т – тривалість періоду, за який визначаються втрати електроенергії, год.

Середні навантаження вузлів визначають за показниками приладів обліку електроенергії. Значення Кф2 і τ визначають безпосередньо за графіком сумарного навантаження електричної мережі, що фіксується в диспетчерській відомості, чи за формулами:

Формула - коефіцієнт форми графіка
Формула - кількість годин максимальних втрат електроенергії

де Кз – коефіцієнт заповнення графіка, в.о.;

Тмакс – кількість годин використання максимального навантаження.

Для електричних мереж з подібними графіками навантажень розрахунок втрат електроенергії може виконуватися за двома стаціонарними режимами, один з яких відповідає математичним сподіванням, а інший – дисперсіям цих графіків [6].

При написанні даного реферату магістерська робота ще не є завершеною. Остаточне завершення: грудень 2013 року. Повний текст роботи та матеріали по темі можуть бути отримані у автора або його керівника після вказаної дати.

Перелік посилань

  1. Півняк Г. «Енергозбереження в промисловому секторі економіки». Энергосбережение № 8, 2007.
  2. Key World Energy STATISTICS 2012 [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.iea.org....
  3. Чернышев В.М., Плачинда В.Д., Комарова В.А. Анализ динамики потребления электрической энергии в Украине за период с 1990 г. по 2008 г. и структуры потребления электрической энергии //Электрические сети и системы. - 2009. - № 6. С 6-10.
  4. Воротницкий М.Э., Железко Ю.С., Казанцев В.Н. и др., под ред. В.Н. Казанцева. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 368 с.
  5. Амельницкая Е.В. Совершенствование управления локальными электрическими сетями как субъектами хозяйствования // Наукові праці Донецького національного технічного університету. – Донецьк, ДонНТУ, 2005. – с.101-115.
  6. Методичні вказівки з аналізу технологічних витрат електроенергії та вибору їх зниження. – Київ, ОЕП "ГРІФРЕ", 2004. – 159 с.
  7. Компенсация реактивной мощности у потребителей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.energosovet.ru....
  8. Державних будівельних нормах України. ДБН В.2.5-23:2010. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://dbn.at.ua....
Фон