Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.02, кандидат технических наук Шамонов, Роман Геннадьевич

• Шамонов, Роман Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шамонов, Роман Геннадьевич

Введение.

Глава 1 Потери мощности и энергии в электрических системах.

1.1 Структура потерь в электрических сетях.

1.2 Методы расчетов потерь в электрических сетях.

1.2.1 Методы расчетов потерь.

1.2.2 Информационная обеспеченность расчетов потерь.

1.3 Современные средства контроля показателей качества электроэнергии.

1.3.1 Цели и задачи, стоящие при контроле качества электроэнергии.

1.3.2 Основные характеристики современных средств измерения показателей качества электроэнергии.

1.3.3 Характеристики измерительных преобразователей тока и напряжения.

1.4 Выводы.

Глава 2 Характеристики несинусоидальных и несимметричных режи- ^ мов ЭЭС.

2.1 Характеристики несинусоидальных и несимметричных токов и ^ напряжений.

2.1.1 Несинусоидальность токов и напряжений.

2.1.2 Несимметрия токов и напряжений.

2.1.3 Состояние качества электроэнергии в действующих электрических системах.

2.2 Составляющие мощности при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях.

2.2.1 Направление потока электроэнергии в электрических сетях.

2.2.2. Мощности при синусоидальных и симметричных токах и ^ напряжениях.

2.2.3 Мощности при несинусоидальных токах и напряжениях.

2.2.4 Мощности при несимметричных токах и напряжениях.

2.2.5 Мощности в несимметричной и нелинейной системе.

2.2.6 Энергетические преобразования при искажениях токов и напряжений в установившихся режимах.

2.2.7 Результаты анализа методов расчета составляющих мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах.

2.3 Анализ составляющих мощности при несинусоидальных/ несимметричных токах и напряжениях по результатам измерений.

2.3.1 Система электроснабжения с мощной преобразовательной на -грузкой.

2.3.2 Составляющие мощности в электрических сетях 0,4 - 10 кВ.

2.4 Выводы.

Глава 3 Влияние несимметрии и несинусоидальности токов и напряже- ^ ний на учет электроэнергии.

3.1 Дополнительные погрешности приборов учета ЭЭ в несинусои- ^ дальных/несимметричных режимах.

3.1.1 Классы приборов учета.

3.1.2 Погрешности учета электроэнергии в несинусоидальных ре- ^ жимах.

3.2 Экспериментальная оценка влияния несинусоидальности и несим- g^ метрии токов и напряжений на приборы учета.

3.2.1 Цели эксперимента.

3.2.2 Описание экспериментальной установки.

3.2.3 Характеристики исследованных режимов.

4, 3.2.4 Результаты эксперимента.

3.2.5 Анализ результатов эксперимента.

3.3 Дополнительные инструментальные потери в несинусоидаль- ^^ ных/несимметричных режимах.

3.4 Методические рекомендации по учету дополнительных инстру- ^^ ментальных потерь в электрических сетях.

3.5 Выводы.

Глава 4. Методика определения дополнительных потерь мощности и электроэнергии, обусловленных несинусоидальностью и несимметрией ^ токов и напряжений.

4.1 Алгоритм определения дополнительных потерь в несинусоидальных и несимметричных режимах.

4.1.1 Постановка задачи и исходные данные для оценки дополни* тельных потерь.

4.1.2 Измерения, обработка и результаты оценки дополнительных потерь.

4.2 Дополнительные потери мощности и электроэнергии в системе электроснабжения, содержащей мощную преобразовательную нагру ^ ^ зку.

4.3 Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики оценки влияния качества электроэнергии на потери мощности и энергии в электрических сетях»

Актуальность темы. Последние годы значительное внимание уделяется повышению эффективности генерации, передачи и потребления электрической энергии (ЭЭ). На каждом из этапов имеются возможности снизить расход энергоресурсов. По оценкам специалистов, в настоящее время всего лишь 30 % содержащейся в энергоресурсах потенциальной энергии расходуется в качестве "полезной энергии" [16].

На эффективность использования ЭЭ влияет большое количество факторов конструктивного, технологического и эксплуатационного характера. Одной из важнейших составляющих комплекса энергосберегающих мероприятий является снижение потерь ЭЭ в электрических сетях. Потери ЭЭ в сетях бывшего СССР колебались в диапазоне 9-10 % отпуска электроэнергии в сеть [16, 45]. С начала 90-х годов и до недавнего времени наблюдалось снижение электропотребления по России в целом. Так, например, в 2001 г. потребление ЭЭ составило лишь 75 % от уровня потребления 1990 г. При этом суммарные потери ЭЭ в энергосистемах России с 199 Г по 2001 гг. непрерывно росли с 79 до 103,5 млрд. кВт*ч, и в процентах от отпуска в сеть от 8,51 до 13,1 [17, 34]. Основными причинами роста потерь в настоящее время являются [17, 30, 31]:

- эксплуатация физически и морально устаревшего оборудования, Что обусловлено отсутствием требуемых капитальных вложений;

- значительный рост коммерческой составляющей потерь ЭЭ.

Разработка и успешное выполнение мероприятий по снижению потерь не возможны без тщательного анализа всех составляющих потерь и причин их появления. Основные факторы, определяющие потери в электрических сетях, хорошо известны и исследованы. Появление новых многофункциональных средств измерения (СИ) параметров электрических режимов позволяет глубже исследовать влияние дополнительных факторов, которыми ранее при анализе пренебрегали.

К числу дополнительных и мало исследованных факторов относится низкое качество электроэнергии (КЭ) и, в первую очередь, несинусоидальность и несимметрия токов и напряжений. Наряду с увеличением относительного и абсолютного значения потерь ЭЭ, в отечественных энергосистемах остро стоят вопросы, связанные с ухудшением КЭ в электрических сетях всех классов напряжений. В первую очередь это связано с увеличением количества и повышением установленной мощности электроприемников (ЭП) с нелинейным и несимметричным характером нагрузок. Основная доля искажающей нагрузки приходится на крупные промышленные предприятия, к которым относятся предприятия черной и цветной металлургии, машиностроения, химической промышленности, а также электрифицированный транспорт. Однако следует отметить и увеличение доли бытовой нагрузки, имеющей в своем составе нелинейные и несимметричные ЭП.

Наряду с вопросами снижения потерь, последние десять лет усилия широких кругов специалистов направлены на решение задач по улучшению КЭ в электрических сетях всех классов напряжения. Значительный вклад в решение рассматриваемых проблем внесли отечественные ученые: Вагин Г.Я., Ворот-ницкий В.Э., Жежеленко И.В., Железко Ю.С., Иванов B.C., Казанцев В.Н., Кор-дюков Е.И., Кузнецов В.Г., Курбатский В.Г., Кучумов JI.A., Пекелис В.Г., Поспелов Г.Е., Саенко Ю.Л., Смирнов С.С., Соколов В.И., Сыч Н.М., Черепанов В.В., Шидловский А.К.

Основными научными работами в области КЭ были исследования, направленные на определение влияния различных ЭП на показатели качества электроэнергии (ПКЭ) в узлах электрических сетей. В этих работах исследованы режимы и составлены модели различных нагрузок и элементов электрических сетей при снижении КЭ, позволяющие с определенной точностью оценивать ПКЭ на стадии проектирования, т.е. без проведения экспериментальных исследований, а также разрабатывать мероприятий по улучшению КЭ.

Что касается значений дополнительных потерь в режимах, в которых КЭ не соответствует требованиям [9], то приводимые в литературе цифры нередко противоречивы и сильно различаются. Тем не менее, большинство авторов отмечают, что значения этих потерь могут быть существенными, и пренебрегать ими недопустимо.

В [36] отмечается, что дополнительные технические потери в сети при несинусоидальности менее 5 % незначительны, а при возрастании Ки до 7-15% потери от высших гармоник (ВГ) могут достигать 10-12%. А в сетях электрифицированного железнодорожного транспорта уровень дополнительных потерь активной мощности от ВГ может составлять до 10 - 15%) от потерь при синусоидальном напряжении [21, 39].

Несимметрия напряжения приводит к увеличению потерь мощности и ЭЭ во всех элементах электрической сети, что обусловлено протеканием токов обратной и нулевой последовательностей. В соответствии с [46] при Кцг2 % добавочные потери в обмотках асинхронных двигателей АРдоб составляют 8 % от основных потерь прямой последовательности ДР0сн5 а ПРИ К2ц=5 % АРяоб равны половине ЛР0СП.

Таким образом, для оценки эффективности передачи и распределения ЭЭ при пониженном КЭ необходимо учитывать и дополнительные потери ЭЭ. Возможности существующих специализированных СИ ПКЭ позволяют инструментально определять значения дополнительных потерь.

В связи с этим целыо данной диссертационной работы является разработка и апробация методики инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в действующих электрических сетях на основе современных специализированных СИ. Основными задачами, решаемыми в диссертационной работе, являются:

- определение структуры и значений дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах путем проведения измерений в реальных электрических системах 0,4 - 500 кВ;

- экспериментальное исследование влияния несинусоидальности и несимметрии токов и напряжений на показания приборов учета (ПУ) различных типов;

- инструментально-расчетная оценка дополнительных потерь мощности и ЭЭ в системе электроснабжения (СЭС) с мощной преобразовательной нагрузкой;

Методы и средства исследований. Поставленные в работе задачи решались на основе теории электрических цепей, математического моделирования, а также экспериментальным исследованием на физической модели и путем проведения измерений в действующих электрических системах с использованием современных сертифицированных СИ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях; показано, что определение потерь должно выполняться для отдельных гармонических и симметричных составляющих;

2) разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров электроэнергии;

3) показано путем сравнительной оценки дополнительных потерь, определенных инструментальным и расчетным методами, что предпочтение следует отдавать инструментальным методам;

4) в соответствии с разработанной методикой выполнена инструментальная оценка дополнительных потерь в системе электроснабжения мощной преобразовательной нагрузки и показано, что уровень этих потерь в сети 10 - 220 кВ может составлять 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от суммарной активной мощности потребляемой нагрузкой;

5) выполнено экспериментальное исследование и показано, что приборы учета индукционного и электронного типов в несинусоидальном и несимметричном режиме при Ки <12 %, Х;<17%, К2и < 3 %, К21 < 25 %, Кои < 3,5 %, К0] < 17 % работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности, при этом дополнительные инструментальные потери не превышают 0,35 % от суммарной электроэнергии в точке учета.

Практическое значение диссертации. Предложенная методика позволяет достоверно определять дополнительные потери мощности и энергии в несинусоидальных и несимметричных режимах энергосистем, что должно использоваться при оценке потерь в электрических системах, содержащих мощные нелинейные и несимметричные нагрузки; технико-экономическом обосновании при разработке мероприятий, направленных на улучшение качества электроэнергии; а также при совершенствовании коммерческих взаимоотношений в области учета электроэнергии между энергоснабжающими организациями и потребителями.

Заключение диссертации по теме «Электростанции и электроэнергетические системы», Шамонов, Роман Геннадьевич

4.3 Выводы

Разработана методика для инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь мощности и ЭЭ в несинусоидальных и несимметричных режимах. В соответствии с ней определены дополнительные потери в СЭС с мощной преобразовательной нагрузкой. Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

1) При сравнительной оценке дополнительных потерь расчетным и инструментальным методами предпочтение следует отдать последнему как наиболее достоверному. Основным преимуществом инструментального метода являются полный учет влияния реальных характеристик несинусоидальных и несимметричных режимов и параметров электрической системы на дополнительные потери.

2) Значение дополнительных потерь в энергосистеме 220/500 кВ, питающей мощную преобразовательную нагрузку, определенное путем измерений составило 565 кВт или 0,051 % от мощности, потребляемой на основной частоте, при этом расчетные потери составили 234,1 кВт.

3) Дополнительные потери в нагрузке собственных нужд, получающей питание с шин 10 кВ завода параллельно с преобразователями, превышают потери в системе, составляя 689 кВт. При этом суммарные потери от ВГ в рассматриваемой системе составили 4,3 % от потерь на основной частоте.

4) Дополнительные инструментальные потери в точках коммерческого учета данной систем приводят к недоучету отпущенной ЭЭ на сумму 1138 тыс.руб./год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Результаты выполненного исследования позволяют сделать следующие выводы.

1) Теоретически обоснован метод определения дополнительных потерь мощности и энергии при несинусоидальных и несимметричных токах и напряжениях, в соответствии с которым нелинейную и несимметричную нагрузку необходимо рассматривать как объект, который, потребляя мощность на основной частоте прямой последовательности, преобразует ее и возвращает частич но в систему в виде мощностей искажений, так что

Рi=P 1 - РРг~ Ро, где Pf= л/3 U\I\ cos фь Pf= -ч/з U2h cos ф2,

Р0= л/3 Uolo cos ф0, = Е а/3UnIn cos (рп. п=2

Тогда дополнительные потери характеризуются суммарной мощностью искажений и равны АРдоп = PnZ + Р2 + Р0. При этом каждая из составляющих данного выражения должна оцениваться индивидуально в силу существенных раз-• личий по условиям их распространения в электрических системах.

2) Разработана методика инструментально-расчетной оценки дополнительных потерь в электрических сетях в несинусоидальных и несимметричных режимах с применением специализированных современных СИ ПКЭ и вспомогательных параметров ЭЭ. Путем сравнительной оценки дополнительных потерь, определенных инструментальным и расчетным методами, показано, что предпочтение следует отдавать инструментальным методам.

3) При инструментальной оценке дополнительных потерь в сложных электрических системах, содержащих несколько источников искажений, при ограниченном количестве СИ ПКЭ основными задачами являются:

- выбор точек проведения измерений;

- длительность измерений;

- синхронность измерений, исходными данными для которых являются статистически обработанные результаты предварительных измерений ПКЭ в исследуемой системе.

4) Дополнительные потери в действующих электрических сетях различных классов напряжения в несинусоидальных и несимметричных режимах могут быть достаточно велики. Значение потерь от ВГ в системе электроснабжения 10/220/500 кВ с мощной преобразовательной нагрузкой, определенное в соответствии с разработанной методикой, равно 1,254 МВт, что составило 4,3 % от потерь на основной частоте или 0,051 % от мощности потребляемой нагрузкой на основной частоте.

5) На показания приборов учета электроэнергии влияют как несимметрия, так и несинусоидальность токов и напряжений, при этом при изменении ПКЭ в диапазонах К,-<12 %, £,<17%, К2и < 3 %, К2] < 25 %, Кои < 3,5 %, К01 < 17 % приборы как индукционного, так и электронного типов работают с погрешностями в пределах, установленных их классами точности, а дополнительные инструментальные потери не превышают 0,35 % от суммарной энергии в точке учета.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шамонов, Роман Геннадьевич, 2003 год

1. Баков Ю.В. Мощность переменного тока. Ивановский гос. энерг. ун-т, 1999.-200 с.

2. Бунайя К. Выбор типа и закона регулирования статического ИРМ при несинусоидальном напряжении в узле нагрузки. Дисс. к.т.н,- М.: 1984 91 с.

3. Веников В.А., Рыжов Ю.П. Дальние электропередачи переменного и постоянного тока: Уч. пособ. для вузов. М: Энергоатомиздат, 1985. - 272 с.

4. Веников В. А. и др. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах/ М.: Энергоатомиздат, 1985. -216 с.

5. Винер И.М. Особенности оценки перегрузки силовых конденсаторов в сетях с высшими гармониками. Сб.: Качество и потери электроэнергии в электрических сетях. - Алма-Ата: КазПТИ, 1986. - С. 4 - 9.

6. Гармоники в электрических системах.: Пер. с англ./ Дж. Арриллага, Д. Брэдли, П. Боджер. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

7. Гидалевич Е.Д. и др. Упрощенный расчет мощности потерь в косинусных конденсаторах при несинусоидальном напряжении. Промышленная энергетика, 1990, № 7. - С. 27.

8. Горюнов И.Т., Мозгалев B.C., Дубинский Е.В. и др. Основные принципы построения системы контроля, анализа и управления качеством электроэнергии. Электрические станции, 1998, № 12. - С.2-6.

9. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск.: Изд-во стандартов, 1998.

10. ГОСТ 30206-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 0,2s и 0,5s). -М.: Изд-во стандартов, 1996. -47 с.

11. ГОСТ 30207-94. Статические счетчики ватт-часов активной энергии переменного тока (классы точности 1 и 2). М.: Изд-во стандартов, 1996.-54 с.

12. Данилевич Я.Б., Кашарский Э.Г. Добавочные потери в электрических машинах. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963, 214 с.

13. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения пром-предприятий. — М.: Энергоатомиздат, 2000. 331 с.

14. Жежеленко И.В., Кротков Е.А., Степанов В.П. Методы вероятностного моделирования в расчетах характеристик электрических нагрузок потребителей. Сам. гос. техн. ун-т, Самара, 2001 г. 196 с.

15. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Реактивная мощность в системах электроснабжения: Уч. пособие. К.: УМК ВО, 1989. - 108 с.

16. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1989. - 176 с.

17. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Изд-во "НЦ ЭНАС", 2002. 280 с.

18. Железко Ю.С., Кордюков Е.И. Высшие гармоники и напряжения обратной последовательности в энергосистемах Сибири и Урала. Электричество, 1989, №7.-С. 62-65.

19. Зыкин Ф.А., Каханович B.C. Измерение и учет электрической энергии. М.: Энергоатомиздат, 1982. 98 с.

20. Карташев И.И. Качество электроэнергии в системах электроснабжения. Способы его контроля и обеспечения. М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 120 с.

21. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. и др. Качество электрической энергии в муниципальных сетях Московской области. Промышленная энергетика, 2002, № 8. - С.42-48.

22. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Сыромятников С.Ю. и др. Способ инструментального выявления источников искажения напряжения и определение их влияния на качество электроэнергии. Электричест-во, 2001, № З.-С. 3-8.

23. Карташев И.И., Пономаренко И.С., Ярославский В.Н. Требования к средствам измерения показателей качества электроэнергии. Электричество, 2000, № 4. - С.11-18.

24. Карташев И.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Приборы для контроля и анализа качества электроэнергии. -Мир измерений, 2002, № 5- 6.-С.4-10.

25. Книжник Р.Г., Ланда М.JI. и др. Дополнительные потери электроэнергии от несимметрии параметров фаз воздушных линий высокого напряжения.- Электричество, 1987, № 1. С. 47 - 49.

26. Кучумов Л. А., Спиридонова JT.B. Вопросы учета и измерения добавочных потерь в сетях при некачественной энергии./ Материалы конф. "Вопросы надежности и экономичности систем электроснабжения". М., 1974.1. С. 18-23.

27. Лосев С.Б., Чернин А.Б. Вычисление электрических величин в несимметричных режимах электрических систем. М.: Энергоатомиздат, 1983. -528 с.

28. Маевский О.А. Энергетические показатели вентильных преобразователей.- М.: Энергия, 1978. 320 с.

29. Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады на-уч.-техн. семинаров и конференции 1998-2001 гг./Под общ. ред. Я.Т. Загорского. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. - 488 с.

30. Метрология электрических измерений в электроэнергетике.: Доклады науч.-техн. конференции 2002 г./ Под общ. ред. Я.Т. Загорского. М.: Изд-во НЦ ЭНАС. -144 с.

31. Методические указания по контролю и анализу качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. РД 153-34.015.501-00. М.: Энергосервис, 2001. 76 с.

32. Никифорова В.Н. Состояние и перспективы развития средств измерений показателей качества электроэнергии.- В сб. информ.-методических мат. семинара "Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике". М.: ВНИИЭ, 1998. - С.4-14.

33. Нормирование, анализ и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях.: Доклады науч.-техн. конференции 2002 г./Под общ. ред. Ворот-ницкого В.Э. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС.- 162 с.

34. Основы теории цепей. Учебник для вузов/ Зевеке Г.В., Ионкин П.А. и др.- М.: Энергоатомиздат, 1989. 444 с.

35. Потери электроэнергии в электрических сетях энергосистем/ Воротницкий В.Э., Железко Ю.С. и др. Под ред. Казанцева В.Н. -М.: Энергоатомиздат, 1983.-368 с.

36. Пономаренко И.С. Влияние несинусоидальности напряжения на работу электронных счетчиков электроэнергии.: Доклады научно-техн. конференции 2003 г. -М.: Изд-во НЦ ЭНАС. С.56-66.

37. Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. Потери мощности и энергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 216 с.

38. Семичевский П.И. Методика расчета дополнительных потерь активных мощности и электроэнергии в элементах систем электроснабжения промышленных предприятий, обусловленные высшими гармониками. Дисс. к.т.н.-М.: 1978.-206 с.

39. Соколов B.C. Метрологическое оборудование и приборы контроля качества электрической энергии. .- В сб. информ.-методических мат. семинара "Метрологическое обеспечение электрических измерений в электроэнергетике" -М.: ВНИИЭ, 1998. -С.15-18.

40. Старцев А.П. Экспериментальное исследование метрологических параметров измерительных трансформаторов напряжения. Автореф. дисс. к.т.н. Екатеринбург, 2000. - 20 с.

41. Тонкаль В.Е., Новосельцев А.В. и др. Баланс энергий в электрических цепях. Киев: Наукова думка, 1992. - 240 с.

42. Хамидов А.Х., Ганиходжаев Н.Г. Потери электроэнергии в низковольтных сетях. Т.: Узбекистан, 1984 г. - 159 с.

43. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г., Николаенко В.Г. Оптимизация несимметричных режимов систем электроснабжения. Киев: Наук, думка, 1987.- 176 с.