воскресенье, 29 апреля 2012 г.

Оценка климатической составляющей в структуре технических потерь системообразующей сети ОЭС Украины

В.П. Волков, А.В. Глотов, инженеры, В.А. Чевычелов, к.т.н. – НТУ «ХПИ»– Северная энергосистема – Укрэнергосетьпроект

Уровень электропотребления, определяющий потоки мощности в ветвях и напряжения в узлах сети, существенно зависит от погодных условий, поэтому и нагрузочные, и условно-постоянные потери имеют определенную корреляцию с метеорологическими факторами (МФ). Наиболее существенными факторами в этом случае является температура воздуха и освещенность. Сезонная динамика ощутимо отражается также на нагрузочных потерях и расходе электроэнергии на собственные нужды подстанций.
В настоящее время изменилась структура потребления электрической энергии за счет снижения доли промышленной и увеличения коммунально-бытовой и осветительной нагрузки и, как следствие, возросло влияние МФ на колебания и суточную неравномерность графиков электропотребления [1].
Наблюдаются также в последние годы устойчивые аномальные отклонения МФ, в частности температуры окружающего воздуха, влажности, гололедообразований, скоростных напоров ветра.
Поэтому в совокупность метеорологических факторов (климатических условий) необходимо включать температуру, освещенность и вид погоды.
Как будет показано ниже, в основных сетях энергосистем, которые относятся к классу сверхвысоких напряжений, в структуре технических потерь электрической энергии значительную долю составляют потери, связанные с коронированием проводов.
Потери на корону возникают на проводах высоковольтных линий электропередачи из-за большой напряженности электрического поля на их поверхности.

Значение напряженности определяется не только рабочим напряжением и конструкцией фазы воздушной линии, но и влиянием на геометрию провода внешних образований (капель дождя, иголок изморози и т.п.). Изменяются при этом и электрические характеристики самого воздуха.
На рисунках 1 и 2 приведены результаты расчетов среднегодовых потерь мощности на корону для воздушной линии 750 кВ в зависимости от параметров, определяющих конструкцию фазного провода.
В качестве типовых видов погоды в соответствии с ДСТУ 3860-99 [2] при расчете потерь на корону принято выделять хорошую погоду, повышенную влажность, сухой снег, туман, дождь, изморозь и гололед в порядке возрастания потерь.
Характерные виды погоды имеют региональные особенности и существенную годовую продолжительность. К сожалению в технической литературе мало имеется сведений, относящихся к описанию результатов наблюдений климатических особенностей отдельных регионов Украины.
Современные теории рассматривают две формы коронного разряда: лавинную и стримерную. Названия этих форм обусловлены характерными процессами в зоне ионизации соответствующих коронных разрядов. Визуально лавинная корона наблюдается в виде относительно тонкого светящегося слоя на гладких электродах и в виде дискретных светящихся пятен на негладких (шероховатых) электродах. Стримерная корона наблюдается в виде слабосветящихся нитевидных каналов, длина которых может изменяться от миллиметров до нескольких сантиметров [3].
В практических расчетах явление коронного разряда оценивается среднегодовыми потерями мощности, при определении которых необходимо учитывать как частости различных групп погоды за год, так и потери мощности при ней в зависимости от конструкции сети и ее рабочего напряжения.
В расчетах потерь мощности на корону на воздушных линиях электропередач используется методика определения эквивалентной напряженности электрического поля путем интегрирования характеристик потерь по окружности провода.
Как было показано в [4] такой подход не совершенен, так как при этом не учитываются различия в процессах формирования объемного заряда и его поляризации на поверхности расщепленных проводов.
При неизменной мощности потока электрической энергии в электропередаче потери активной мощности определяются уровнем напряжения. Воздействуя в допустимых пределах на напряжение передачи, можно изменять в желаемом направлении потери активной мощности и обеспечить таким образом некоторое минимальное значение полных потерь мощности, которое складывается из потерь на нагрев проводов, на корону, в управляемых и неуправляемых компенсирующих устройствах и в трансформаторах, связывающих рассматриваемую электропередачу с сетями других напряжений. Изменения напряжения по-разному сказываются на отдельных составляющих потерь.

clip_image002
 
Рис. 1. Зависимость DРк =f(a, dпр) для конструкции фазы
5´АС-400/51

clip_image004
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 2. Зависимость DРк =f(hг, D) для конструкции фазы 5´АС-400/51
Общеизвестно, что при относительно небольших передаваемых мощностях (порядка 0,25 от натуральной мощности Рн) для уменьшения потерь на нагрев проводов необходимо снижать напряжение, чтобы уменьшить влияние емкостной составляющей тока [4].
При увеличении передаваемой мощности по линии для уменьшения потерь в проводах всегда желательно поддерживать в линии наибольшее допустимое напряжение.
Иной характер имеет зависимость потерь на корону от напряжения, для их уменьшения всегда целесообразно эксплуатировать линию при наименьшем допустимом напряжении.
Потери в неуправляемых компенсаторах (КУ) также снижаются с уменьшением напряжения, тогда как потери в управляемых КУ определяются главным образом не уровнем напряжения, а загрузкой этих устройств реактивной мощностью исходя из общих требований режима электропередачи. Потери в автотрансформаторах связи определяются мощностью потока энергии, проходящего через них, и мало зависят от уровня напряжения.
Приведенные выше соображения о характере изменения потерь активной мощности в элементах электропередачи при регулировании напряжения показывают, что минимизация потерь активной мощности является оптимизационной задачей [5].
Оптимизация режима участка ВЛ СВН заключается в определении оптимальных параметров режима (напряжения и реактивной мощности) по известной активной мощности, передаваемой по линии, и по погодным условиям (потери на корону).
Можно построить полную модель оптимизации ВЛ СВН по напряжению и реактивной мощности, описанную уравнениями в гиперболических функциях с учетом характеристики потерь на корону от распределения напряжения вдоль линии. Однако ее решение требует относительно сложного алгоритма оптимизации с использованием методов нелинейного программирования.
Известны подходы, позволяющие установить коэффициент перепада напряжения Кu по концам участка ВЛ СВН и найти значения реактивных мощностей для конкретной длины линии при определенной величине передаваемой активной мощности.
Однако, в таких выражениях не учитываются потери активной мощности на корону [6].
С целью упрощения выполнения анализа изменения структуры общих потерь активной мощности в электропередаче и оценки влияния потерь мощности от короны при различных уровнях напряжения по длине ВЛ, произведен расчет ее рабочих режимов и выбраны компенсирующие устройства, минимизирующие циркуляцию реактивной мощности по участкам электропередачи. Это позволяет использовать для анализа упрощенную модель с приемлемой точностью результатов расчета.
Расчетная схема воздушной линии (ВЛ) электропередачи 330 кВ принята состоящей из двух участков: первый участок длиной 150 км выполнен двумя цепями, второй длиной 200 км, одноцепной. Отбор мощности на промежуточной подстанции определен равным Рп=300 МВт при cosjп=0,92, нагрузка приемной подстанции принята такой же. Расчеты выполнены для трех вариантов конструкции фазы 2×АС-400/51, 2×АС-300/39 и 2×АС-240/39.
Для расчета параметров режимов математическая модель была составлена из схем замещения, где элементарная длина участка ВЛ не превышала 10 км, что позволило более полно учесть распределенность зарядной мощности линий.
Расчеты зависимости потерь мощности на корону от уровня рабочего напряжения в электропередаче 330 кВ выполнены по алгоритму принятому в проектной практике, для тех же вариантов конструкции фазы.
Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Таблица 1. Зависимости потерь мощности на корону от уровня напряжения в электропередаче 330 кВ при характерных видах погоды
image
Анализ полученных результатов показывает, что с ростом напряжения на 5% от номинального значения потери на корону возрастают на (25-43)%, а при снижении напряжения на 5% они уменьшаются на (20-27)% в зависимости от вида погоды и конструкции фазы.
Результаты расчетов, приведенные в таблице 1 хорошо коррелируются с типовыми кривыми зависимости потерь на корону от напряжения и вида погоды, приведенными в [2].
Заслуживает внимания предложение, высказанные в [7], об учете влияния рабочего напряжения на потери от короны путем введения поправочного коэффициента, зависящего от отношения рабочего напряжения на линии к его номинальному значению , а также предложения о коррекции расчета потерь на ВЛ с сечениями, отличающимися от приведенных в таблицах [2].
На основании данных таблицы 1 составлено изменение потерь мощности от короны при различных уровнях напряжения в ЭП 330 кВ для рассматриваемых конструкций фазного провода при характерных видах погоды (таблица 2).
Таблица 2. Изменение потерь на корону при различных уровнях напряжения в электропередаче 330 кВ
image
Для оценки влияния потерь мощности от короны при различных климатических условиях на структуру технических потерь электрической энергии в ВЛ 330кВ при отклонениях напряжения от среднего эксплуатационного уровня произведен расчет удельных нагрузочных потерь активной мощности на участках линии с сечением фазы 2×АС-300/39 в зависимости от передаваемой мощности при выбранном составе устройств компенсации реактивной мощности.
При загрузке участков ВЛ 100 и 75% от максимального значения использовались 4 и 2 синхронных компенсатора (СК) по 50 Мвар с симметричным расположением (2+2) и (1+1) на промежуточной и приемной подстанциях.
При загрузке участков ВЛ на 25% и в режиме холостого хода синхронные компенсаторы были переведены в режим потребления реактивной мощности, т.е. использовались как шунтирующие реакторы (ШР).
Результаты расчетов нагрузочных потерь представлены в таблице 3.
Таблица 3. Зависимость удельных нагрузочных потерь DRн, кВт/км от загрузки участков ВЛ 330кВ при различных уровнях напряжения
 
image
Изменение потерь на нагрев проводов при регулировании напряжения в пределах ±5% от номинального значения поставлено в зависимость от загрузки участков ВЛ и показано в таблице 4.
Таблица 4. Изменение потерь на нагрев проводов в ВЛ 330кВ при различных уровнях напряжения
Передаваемая мощность Рi /Pmax, % 100 75 50 25 0
Приращение потерь на нагрев кВт/км при Ux /UH 0,95 +5,0 +2,82 +1,33 +0,43 +0,29
1,05 -4,31 -2,43 -1,15 -0,37 -0,2
Сравнение изменения удельных нагрузочных потерь на нагрев с потерями от короны при различных видах плохой погоды позволяет установить, что в ЭП 330кВ:
· при изморози в целях минимизации общих технических потерь следует поддерживать напряжение на линии U=0.95Uн при загрузке ее участков вплоть до натуральной мощности Рн;
· при дожде этот уровень напряжения оправдан, при загрузке участков ВЛ до (0,85-0,9) Рн;
· при сухом снеге, равно как и при остальных видах плохой погоды, которые коррелируются к среднегодовым, понижение напряжения эффективно при загрузке участков ВЛ до 0,5 Рн.
Аналогичные выводы были сделаны для ВЛ напряжением 750 кВ по результатам анализа влияния среднегодовых потерь мощности от короны на структуру технических потерь, приведенных в [5].
В выполненном анализе оценки климатической составляющей технических потерь в основных сетях ОЭС Украины использованы 4 характерных вида погоды, достоверно подтвержденные опытом эксплуатации за последние 25 лет в Северной энергосистеме.
Сведения о длительной влажности и тумана в этом регионе менее достоверны и поэтому не использовались в расчетах.
Выводы и предложения:
1. Усредненная характеристика коронного разряда в виде удельных среднегодовых потерь мощности на корону в кВт/км, применяемая при проектировании электропередач, не позволяет судить о фактических потерях мощности в данный момент времени. Поэтому при оценке потерь мощности на корону в электропередачах СВН необходимо учитывать различные погодные условия по трассе ВЛ, приводящие к неодинаковой интенсивности короны на отдельных участках электропередачи.
2. Для режимов с перетоками активной мощности меньше натуральной и при больших значениях удельных потерь на корону, соответствующих всем видам плохой погоды, оптимальные значения напряжения следует устанавливать ниже номинального. При этом необходимо учитывать ограничение на наименьшее допустимое напряжение ВЛ с учетом возможного диапазона регулирования трансформаторов концевых и промежуточных подстанций, а также и условия запаса устойчивости режима работы электропередачи.
3. Новые технологии повышения регулировочной способности линий электропередачи переменного тока за счет преобразовательной техники, внедрения статических тиристорных компенсаторов, управляемых шунтирующих реакторов нормализуют уровень напряжения в сетях, что позволяет оборудованию ОЭС Украины работать при напряжениях, близких к оптимальным и таким образом продлить срок его функционирования.
Список литературы
1. Макоклюев Б.И. и др. Влияние колебаний метеорологических факторов на электропотребление энергообъединений.// Энергетик, 2003, №6.
2. ДСТУ 3860-99. Методика расчета технологических потерь электроэнергии в действующих сетях электроснабжения 220кВ и выше.- Киев Госстандарт Украины, 1999.
3. Высоковольтные электротехнологии. Под ред. И.П. Верещагина – М.: Изд-во МЭИ, 2000.
4. Волков В.П., Волков С.В., Мамин Р.А. Оптимизация конструктивных решений ВЛ СВН. Материалы международ. научно-техн. конференции. Информационные технологии: наука, техника, образование, здоровье.– Харьков-Мишкольц, 1997 –ч.V.
5. Волков В.П., Глотов А.В., Левченко Е.И. Анализ влияния потерь активной мощности от короны на структуру технологических потерь в воздушной линии 750 кВ. Вестник НТУ «ХПИ». Сб. научных трудов. Тематический выпуск «Электроэнергетика и преобразовательная техника», вып. 1, том 1. Харьков. 2003, с.59-62
6. Александров Г.Н. Передача электрической энергии переменным током. –М.: Знак, 1998.
7. Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002.
© В.П. Волков, А.В. Глотов, В.А. Чевычелов 2003