Диссертация Акимжанов

1

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

АКИМЖАНОВ ТЕМИРБОЛАТ БАЛТАБАЕВИЧ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ РАСЧЕТА ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ В ВОЗДУШНЫХ ЛИНИЯХ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ И ОЦЕНКИ ИХ УРОВНЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Специальность 05.14.02 Электрические станции и электроэнергетические системы

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор В.Я. Ушаков

ТОМСК − 2015

2

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….. 4

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОТЕРЬ И СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ ТРАНСПОРТИРОВКЕ………………………… 9

1.1.Природа потерь электроэнергии при передаче и распределении и их структура…………………………………………………………………… 9

1.2.Методы расчета нагрузочных потерь в электрических сетях…………... 18

1.3.Высшие гармонические составляющие тока и напряжения и их

источники в электрических сетях………………………………………… 25

1.4.Основные мероприятия по сокращению технологических потерь……... 37

1.5.Выводы к главе 1…………………………………………………………... 39

ГЛАВА 2. РАБОТА ВЛ В УСЛОВИЯХ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ РЕЖИМОВ. 41

2.1.Современное состояние и тенденции в изменении характера нагрузок

(на примере МРСК «Сибири» и «Юга»)………………………………….. 42

2.2.Анализ режимов электрических сетей 110 кВ МРСК «Сибири» и «Юга» России на их соответствие стандарту качества электроэнергии

по несинусоидальности и несимметрии………………………………….. 53

2.3.Исследование несинусоидальных и несимметричных режимов ВЛ (на примере ВЛ ОАО «Бурятэнерго» и ОАО «Ростовэнерго»)……………... 65

2.4.Выводы к главе 2…………………………………………………………... 73

ГЛАВА 3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ РЕЖИМОВ

МНОГОПРОВОДНОЙ ВЛ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА ЕЕ

АДЕКВАТНОСТИ………………………………………………………………. 75

3.1. Погонные параметры ВЛ с учетом их конструктивных особенностей… 76

3.2.Математическая модель режимов многопроводной ВЛ с учетом распределенности параметров……………………………………………. 86

3.3.Частотные характеристики ВЛ и экспериментальная проверка адекватности выбранной математической модели………………………. 91

3.4.Вывод к главе 3……………………………………………………………. 97

3

ГЛАВА 4. РАЗВИТИЕ МЕТОДИКИ РАСЧЕТА И ОЦЕНКИ

ДОБАВОЧНЫХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ВЛ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЕЙ……………………………………………………………………………. 98

4.1.Особенности режимов, проявляющиеся при расчете потерь на частотах высшего порядка………………………………………………… 98

4.2.Методика расчета основных и добавочных потерь мощности и электроэнергии в ВЛ………………………………………………………. 105

4.3.Расчет основных и добавочных потерь мощности и электроэнергии на примере ВЛ 110 кВ «БлМ-137» филиала МРСК Сибири – Бурятэнерго. 109

4.4.Методика оценки добавочных потерь электроэнергии в электрической сети………………………………………………………………………….. 114

4.5.Выводы к главе 4…………………………………………………………... 126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………………… 127

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ……………………………………….……………… 128

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………... 129

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Алгоритмы, заложенные в программу расчета основных и добавочных потерь мощности и электроэнергии в одно- и двухцепных

воздушных линиях электропередач …………………………………………….. 137

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Частотные характеристики ВЛ 110 кВ различной длины,

выполненных проводом АС-120 на опорах марки П110-5В в холостом режиме…………………………………………………………………………….. 145

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Текст программы расчета основных и добавочных потерь в одно- и двухцепных ВЛ 110 кВ……………………………………………….. 146

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Акт использования результатов работы………………….. 167

4

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. У большинства населения Земли понятия «энергосбережение» и «энергоэффективность», как правило, ассоциируются с эффективностью использования энергии в сфере конечного потребления – в жилищно-коммунальном хозяйстве, в быту, в обрабатывающих отраслях промышленности и т.п. Электроэнергетика и сырьевые секторы ТЭК оказываются вне зоны внимания. И только специалистам известно, что энергоемкость товаров и услуг и интегральный показатель – удельная энергоемкость валового внутреннего продукта (ВВП) в значительной мере определяются энергетической эффективностью всех звеньев технологической цепочки, предшествующих потреблению электрической и тепловой энергии: поиск, разведка и добыча энергетического сырья – преобразование его в электрическую и тепловую энергию – доставка ее потребителям.

Для России с ее огромной территорией и, соответственно, большими длинами линий электропередач (по данным Минэнерго на сегодня их суммарная протяженность составляет 2 647,8 тыс. км) повышение энергоэффективности передачи и распределения электрической энергии всегда было чрезвычайно актуальной проблемой. Она усугубляется еще и высокими удельными потерями электроэнергии при ее транспортировке – около 12% в России в сравнении с 6-7% в развитых странах. (За 90-е годы они увеличились на 3-3,5% в то время как среднемировой уровень потерь продолжал снижаться). Руководство страны и отрасли ставит задачу – снизить потери электроэнергии в электрических сетях Российской Федерации до 8% к 2030 г.

В последние десятилетия все в большей мере на потери энергии влияет постоянный рост нелинейных нагрузок, обусловленный, прежде всего, увеличением доли электропотребления бытовым оборудованием и приборами. Это вызывает рост доли высших гармонических составляющих тока и напряжения в электрических сетях. Кроме нелинейных нагрузок, источниками высших гармоник являются нелинейности элементов сети и возможные резонансные режимы их работы. Высшие гармоники тока, помимо снижения

5

качества электроэнергии, вызывают добавочные потери электроэнергии. Добавочные потери возникают также вследствие несимметричности параметров элементов сети и несимметричности режимов. В настоящее время эти составляющие потерь не учитываются при расчете потерь электроэнергии в российских сетях и, соответственно, при формировании тарифов на электроэнергию, что усложняет составление баланса переданной и потребленной электроэнергии. Для разработки методов борьбы с ними необходимы целенаправленные исследования их природы и количественных характеристик. И эта проблема актуальна не только для отечественной энергетики – убытки от низкого качества электроэнергии исчисляются миллиардами долларов и в других развитых странах.

Решению обозначенной проблемы и ее различных аспектов посвящено множество работ отечественных и зарубежных ученых: Воротницкий В.Э., Кучумов Л.А., Железко Ю.С., Жежеленко И.В., Шидловский А.К., Борисов Б.П.,

Arrillaga J., Bradley D., Bodger P, Williams S. M., Brownfield G. T., Duffus J.W.

Однако, несмотря на это, данная проблема сохраняет актуальность.

Цель диссертации – разработка методов исследования и расчета добавочных потерь в ВЛ и методики оценки их уровней в распределительных электрических сетях.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1.Анализ современного состояния режимов ВЛ, приводящих к появлению добавочных потерь электроэнергии (по результатам инструментальных исследований, выполненных силами РЦР*) и существующих методов расчета потерь (по литературным данным).

2.Выбор математической модели режимов ВЛ для расчета основных и добавочных потерь электроэнергии от протекания высших гармонических составляющих токов и несимметрии токов основной

частоты.

__________________________________________________________________________________

*РЦР – Региональный центр ресурсосбережения Томского политехнического университета, в котором диссертант выполнял исследования

6

3.Алгоритмизация задачи расчета добавочных потерь и ее программная реализация.

4.Использование созданной программы для разработки методики оценки добавочных потерь в электрических сетях.

5.Оценка уровней добавочных потерь в ВЛ ряда электрических сетей

110 кВ.

Объект исследования. Электрические сети 110 кВ ОАО «МРСК Сибири» и

ОАО «МРСК Юга» (далее, соответственно, МРСК Сибири и МРСК Юга).

Предметом исследования являются режимные параметры ВЛ и добавочные потери электроэнергии в них.

Методы исследований. Для решения задач, поставленных в настоящей работе, использовались: теория матричного исчисления, методы и приемы математического моделирования, методы физических и вычислительных экспериментов, сопоставление результатов инструментальных обследований с результатами расчетов.

Достоверность результатов и выводов обеспечивалась статистической обработкой данных с использованием стандартного пакета MS Office Excel и

специально написанной на языке FortranPowerStation 4.0 программы.

Программная реализация математических моделей также осуществлена в среде

FortranPowerStation 4.0. Результаты моделирования были сопоставлены с результатами инструментальных исследований; при этом получено хорошее совпадение.

Научная новизна и основные результаты, выносимые на защиту.

1.Разработаны методика и программа расчета основных и добавочных потерь

вВЛ, позволяющие исследовать их природу с учетом:

•многопроводности ВЛ, наличия грозозащитного троса и его заземления;

•несимметрии расположения проводов и тросов, а так же режимов ВЛ;

•распределенности параметров вдоль трассы ВЛ;

7

•проявления поверхностного эффекта в проводах и тросах.

2.Установлены следующие закономерности формирования добавочных потерь в ВЛ:

•с падением нагрузки доля добавочных потерь в суммарных увеличивается;

•возникающие в ВЛ резонансные частоты обусловливают рост токов этих частот и, соответственно, доли добавочных потерь;

•величина потерь от несинусоидальности в грозозащитных тросах, не смотря на их частое заземление, может быть сопоставима с таковыми в фазах и даже превышать их;

•значения токов частот высшего порядка могут меняться совершенно непредсказуемо вдоль трассы ВЛ, что подтверждает необходимость их учета при расчете добавочных потерь с применением разработанной программы на всех доступных измерениям частотах.

3.Предложена методика оценки добавочных потерь электроэнергии по ограниченному объему обследованных ВЛ, позволяющая с достаточной для практических целей точностью определять их величину. Объем выборки,

достаточный для оценки добавочных потерь, может составлять 10 - 30% от общего количества ВЛ. Для конкретной энергосистемы данная величина должна устанавливаться на основе энергетического обследования.

4.Показано, что в процессе эксплуатации электрических сетей необходим постоянный учет добавочных потерь с целью уточнения их технико-

экономических показателей и при составлении балансов мощностей и энергии.

Практическая значимость работы:

1.Предложенная методика оценки добавочных потерь может использоваться для их включения в технологические потери при формировании тарифов.

2.Созданное программное обеспечение используется в МРСК Юга для расчета добавочных потерь в электрических сетях ОАО «Ростовэнерго» и

8

ОАО «Волгоградэнерго». Оно может использоваться для этих целей в

других эксплуатируемых и проектируемых электрических сетях.

3.Применение методики оценки добавочных потерь в условиях ограниченного количества обследованных ВЛ может сократить затраты на эту процедуру.

4.Предлагаемые методика и средства оценки эффективности транспорта электроэнергии позволяют выявить потенциал энергосбережения в электрических сетях.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации

докладывались и обсуждались на научно-практических и международных конференциях:. XVIII Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии»,

Томск, 2012; The 8th International Conference on Technical and Physical Problems of Power Engineering (ICTPE-2012), Fredrikstad, Norway, 2012; Международная молодёжная конференция «Энергетическое обследование как первый этап реализации концепции энергосбережения». Томск, 2012; I Международный форум

«Интеллектуальные энергосистемы», Томск, 2013; The 9th International Forum on Strategic Technology (IFOST), Cox’s Bazar, Bangladesh, 2014.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ, в том числе 3 статьи в изданиях из перечня ВАК и монография (в соавторстве),

получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы из 74 наименований, приложений.

Общий объем диссертации 168 страниц, в том числе 70 иллюстраций и 18 таблиц.

9

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ПОТЕРЬ И СНИЖЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ПРИ ЕЕ ТРАНСПОРТИРОВКЕ

1.1. Природа потерь электроэнергии при передаче и распределении и их структура

Электроэнергия отличается от других видов продукции тем, что её транспортировка осуществляется за счёт расходования части самой продукции и,

следовательно, потери электроэнергии неизбежны. Однако лишь часть электроэнергии, не дошедшей от производителя к потребителю, можно отнести к чистым потерям. Другую часть в отраслевых документах обоснованно называют

«технологический расход электроэнергии на передачу по электрическим сетям».

Ниже для краткости будет использоваться термин «потери», в необходимых случаях с определениями «технологические потери», «технические потери», «коммерческие потери».

Уровень потерь является важным, но не единственным показателем эффективности применительно к передаче и распределению электрической энергии. Понятие эффективности включает в себя ещё такие характеристики, как качество электроэнергии, надежность/бесперебойность электроснабжения,

управляемость систем транспорта и распределения. Вопросы качества электроэнергии и его влияние на уровень потерь энергии в электрических сетях,

как отмечалось во «Введении», является основным предметом исследований,

обобщенных в данной диссертации.

Представление о положении российской энергетики в мире в аспекте эффективности транспорта электроэнергии дают данные таблице 1.1.

Правительство РФ поставило перед Минэнерго и руководством электросетевых компаний задачу – снизить потери к 2015 г. до 11 % и к 2030 г. до

8 %. По мнению международных экспертов, обоснованный уровень потерь электроэнергии при передаче и распределении составляет 4-5 %, к которому следует стремиться. (Величина, близкая к пределу, определяемому физическими

10

законами). Экономически обоснованный потенциал снижения потерь в сетях

(реальный на сегодня) составляет около 35% от суммарных потерь [57].

Таблица 1.1

Уровень потерь при передаче электроэнергии в ряде ведущих стран и в среднем в мире

энергетикам успешно решать следующие задачи:

экономить ежегодно более 32 млрд. кВт.ч электроэнергии (около 4,0 млн т у.т.) (это позволило бы либо остановить 7 энергоблоков по 500 МВт,

либо не вводить новые мощности такого масштаба),

сократить вредные выбросы в атмосферу (оксидов азота и серы, твёрдых частиц) в объёме не менее 107 тыс. т. в год.

Сокращение сверхнормативных потерь электроэнергии в электрических сетях может и должно стать важным источником инвестиций (наряду с другими)

в сетевое хозяйство для радикального улучшения его технического состояния, а

также замедления роста тарифов на электроэнергию. Это – сложная проблема,