УДК 621.316.13

АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЦЕЛЯХ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Коноплев Никита Евгеньевич

Компанеец Борис Сергеевич

Аннотация:

Снижение потерь в электроэнергетической системе Российской Федерации и других странах мира в настоящее время является важной задачей. Известно, что регулирование напряжения в электрических сетях позволяет снизить потери электроэнергии. Однако данный способ снижения потерь электроэнергии не реализован на практике из-за недостаточной исследованности данного вопроса. В статье рассмотрены применяемые в настоящее время методы и способы регулирования напряжения в электрической сети Единой энергетической системы, а так же приводится  принцип их действия. Рассмотрен способ применения регулирования напряжения для минимизации потерь электроэнергии в электрической сети. Описан принцип его действия и физика процесса. Сделан вывод о возможности применения существующих технических устройств регулирования напряжения в целях снижения потерь электроэнергии.

Ключевые слова: потери электроэнергии, регулирование напряжения, центр питания, регулирование под нагрузкой, электрические сети.

Потребление электрической энергии неравномерно и изменяется в течение времени, соответственно изменяются перетоки мощности, которые влияют на уровень напряжения в электрической сети, который является важнейшим показателем качества электроэнергии. Чтобы обеспечить корректную работу электроустановок потребителей электроэнергии необходимо чтобы напряжение на зажимах электроприемников соответствовало установленным нормам. Для этого в электроэнергетических системах применяются различные методы и способы регулирования напряжения.

Научные исследования показали, что регулировать напряжение в электрической сети можно применять еще и для снижения потерь электроэнергии [1, 2]. Суммарные технические потери в электрических сетях складываются из нагрузочных потерь ΔWн и потерь холостого хода ΔWхх.  Нагрузочные потери на нагрев проводников при увеличении напряжения уменьшаются, а потери холостого хода увеличиваются за счет повышения интенсивности коронного разряда, которая, в свою очередь прямо пропорционально зависит от величины напряжения. Отсюда следует, что за счет снижения напряжения можно уменьшить потери на коронный разряд, однако со снижением напряжения возрастают потери на нагрев проводов.  Задача состоит в нахождении и поддержании оптимального значение напряжения, при котором суммарные потери будут минимальны.

Все известные на сегодняшний день методы и способы регулирования напряжения в электрических сетях можно разделить на четыре группы:

- регулирование напряжения на шинах центра питания;

- изменение величины потери напряжения в элементах сети;

- изменение величины передаваемой реактивной мощности.

- изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

Регулирование напряжения на шинах центра питания называется централизованным, поскольку оно оказывает влияние на уровень напряжения во всей электрической сети. Все остальные способы являются местными, то есть регулируют напряжение на конкретном участке сети. Центром питания, как правило, являются шины генераторного напряжения электростанций или шины низкого напряжения районных подстанций. При данном способе осуществляется встречное регулирование напряжения. В период наибольшего потребления электроэнергии уровень напряжения повышается, для того чтобы компенсировать потери напряжения в электрической сети, а в часы минимума нагрузки уровень напряжение понижается. Данный способ регулирования напряжения производится генераторами электростанций. Изменяя ток возбуждения генератора можно добиться изменения уровня напряжения в пределах ±5 %.

Регулировать напряжение изменением величины потери напряжения в элементах сети можно путем изменения сопротивления линии. Так при отключении одной из параллельных линий в период низкого потребления электроэнергии потребителем можно добиться снижения напряжения у потребителя за счет увеличения потери напряжения в линии.

Существуют способ регулирования напряжения за счет изменения величины передаваемой по сети реактивной мощности. Например, используя продольную компенсацию индуктивности линии в часы максимальных нагрузок можно добиться увеличения уровня напряжения в сети. Также можно изменять величину реактивного сопротивления в сети включением или шунтированием батарей конденсаторов, а также изменяя ток возбуждения  синхронных двигателей и синхронных компенсаторов, подключенных параллельно данной электрической сети.

Распространенным является способ регулирования напряжения при помощи изменения коэффициента трансформации силовых трансформаторов с переключением без возбуждения (ПБВ) и регулированием под нагрузкой (РПН). Устройство ПБВ предназначено для сезонного регулирования напряжения так как требует отключения трансформатора для осуществления регулирования. Используя ПБВ можно получить пять коэффициентов трансформации с надбавками напряжения от 0 до +10 %. Регулирование под нагрузкой осуществляется без отключения трансформатора от сети специальным устройством, установленным на высокой стороне трансформатора в отдельном баке.  Данный способ позволяет изменять уровень напряжения в диапазоне до 16 % и имеет 9 ступеней регулирования. Изменение коэффициента трансформации устройством РПН может происходить несколько раз в сутки в зависимости от характера нагрузки.

Управление устройствами РПН может производится вручную оперативным персоналом либо при помощи автоматических регуляторов напряжения (АРНТ) типа АРТ-1Н И АРТ-1М, которые  проводят  коррекцию величины напряжения согласно значению тока нагрузки на отходящих линиях. Падение напряжения в линии электропередачи определяется замером от точки замера измерительного трансформатора напряжения от которого запитан регулятор и местом подключения нагрузки потребителя с заданным неизменяемым значением напряжения.

Современной альтернативой устройствам автоматического регулирования напряжения трансформатора типа APT-1H являются микропроцессорные устройства, например Сириус-2-РН (рисунок 1), производства АО «Радиус Автоматика». Устройство имеет специальное исполнение «И5», обеспечивающее наиболее полный функционал при построении «цифровых подстанций» и развертывании «Smart Grid» [3].

Рисунок 1 – Микропроцессорное устройство регулирования напряжения трансформатора Сириус-2-РН

Логика работы устройства Сириус-2-РН совпадает с логикой APT-1H. Данный микропроцессорный терминал аналогично осуществляет коррекцию уровня регулируемого напряжения по току нагрузки. Устройство Сириус-2-РН также поддерживает оперативную передачу текущих параметров, ввод и изменение уставок по линии связи.

На основе проведенного анализа способов и методов регулирования напряжения можно сделать вывод, что все существующие системы автоматического управления по своей сути являются реактивными, реагирующими на измеряемые отклонения контролируемых величин, таких как напряжения на шинах подстанций, перетоки мощности по линиям.

Расчет оптимального режима основывается на параметрах текущего или наборе ретроспективных режимов, а для оптимального управления электрическими режимами, обеспечивающими не только регламентируемые отклонения напряжения, но и повышения экономичности эксплуатации систем путем снижения потерь электроэнергии,  требуются более быстродействующие модели и алгоритмы. Современные микропроцессорные устройства АРНТ технически позволяют решить данные задачи, однако на сегодняшний день отсутствуют необходимые алгоритмы и сертифицированное программное обеспечение.

Таким образом, в настоящий момент актуальной задачей является создание алгоритмов оптимального управления уровнем напряжения, осуществляющих динамическую оптимизацию в целях снижения потерь электроэнергии.

Список используемой литературы:

1. Гумовская А. А. Принципы регулирования напряжения линий электропередачи в целях снижения потерь / А. А. Гумовская ; науч. рук. В. В. Шестакова // Интеллектуальные энергосистемы : труды IV Международного молодёжного форума, 10-14 октября 2016 г., г. Томск : в 3 т. - Томск : Изд-во ТПУ, 2016. - Т. 1. - [С. 344-347].

2. Оптимизация нормальных электрических режимов электроэнергетических систем при оперативном и автоматическом управлении : диссертация ... кандидата технических наук : 05.14.02 / Домышев Александр Владимирович; [Место защиты: ФГБУН Институт систем энергетики им. Л. А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук] .  - Иркутск, 2020. - 188 с.

3. Цифровое устройство регулирования напряжения трансформатора «Сириус-2-РН» [Электронный ресурс] / ЗАО «РАДИУС Автоматика». – Режим доступа : https://www.rza.ru/catalog/zashita-i-avtomatika-silovih-trancformatorov-i-atotransfomatorov/sirius-rn.php

Информация об авторах:

Компанеец Б. С.  – к.т.н., доцент, Коноплев Н. Е. – аспирант группы 0ТМехЭ-12, ФГБОУ ВО «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», РФ, Алтайский край, г. Барнаул.

-