Определение потерь напряжения и мощности в проводах линии и электропередачи

Лабораторная работа

Цель

1. Выяснить какое влияние оказывает нагрузка линии и сопротивление её проводов на напряжение приемника.

2. Определить мощность потерь в проводах и КПД линии электропередачи.

Теоретическое обоснование

Каждый приёмник электрической энергии рассчитан на определённое номинальное напряжение. Так как приёмники могут находиться на значительных расстояниях от питающих их электростанций, то потери напряжения в проводах имеют важное значение. Допустимые потери напряжения в проводах для различных установок не одинаковы, но не превышают 4-6% номинального напряжения.

На рис. приведена схема электрической цепи, состоящая из источника электрической энергии, приёмника и длинных соединительных проводов. При прохождении по цепи электрического тока I показания вольтметра U 1 , включённого в начале линий, больше показаний вольтметра U 2 , включённого в конце линий.

Уменьшение напряжения в линии по мере удаления от источника вызвано потерями напряжения в проводах линии U i =U 1 -U 2 и численно равно падению напряжения. Согласно закону Ома, падение напряжения в проводах линии равно произведению тока в ней на сопротивление проводов: U ii =I*R тогда U i =U 1 -U 2 =U ii = - сопротивление проводов линии.

Мощность потерь в линии можно определить двумя способами:

P i =U i *I=(U 1 -U 2)*I или P ii =I*R

Уменьшить потери напряжения и потери мощности в линии электропередачи можно уменьшая силу тока в проводах либо увеличивая сечение проводов с целью уменьшения их сопротивления. Силу тока в проводах можно уменьшить увеличивая напряжение в начале линии.

КПД линии электропередачи определяется отношением мощности, отдаваемой электроприёмнику, к мощности, поступающей в линию, или отношением напряжения в конце линии к напряжению в её начале:

Схема передачи электрической энергии:

Приборы и оборудование

Два вольтметра и амперметр электромагнитной системы, ламповый реостат, двухполюсный автоматический выключатель, соединительного провода.

Порядок выполнения работы

Ознакомиться с приборами и оборудованием, предназначенными для выполнения лабораторной работы, записать их технические характеристики.

Подать в цепь напряжение. Изменяя нагрузку с помощью лампового реостата, при трёх её значениях записать показания приборов в таблице.

Вычислить потери двумя способами:

1. Как разность напряжений в конце и начале линий.

2. Как произведение силы тока на сопротивление проводов.

Определить мощность потерь в линии и КПД. Результаты вычислений занести в таблицу.

Таблица изменения числа потребителей:

Изменяем напряжение в начале и конце линий.

Потери энергии в линиях электропередачи состоят из двух составляющих:

Потерь энергии в шунтах, обусловленных потерями на корону, постоянными в течение всего времени работы линии:

Потерь энергии в сопротивлении R , определяемых потерями активной мощности, зависящими от нагрузки:

. (5.27)

Тогда суммарные потери энергии

Здесь Т равно 24 часам или 8760 часам соответственно для суток и года.

Число часов максимальных потерь  для суток определяется по суточному графику, для года - по графику нагрузки, построенному по продолжительности, кривым (см. рис. 5.4) или соотношению (5.24).

1. Особенности определения потерь энергии в трансформаторах

Для п параллельно включенных двухобмоточных трансформаторов потери энергии включают потери в шунтеи потери энергии в активных сопротивлениях двухобмоточных трансформаторов:

; (5.29)

В трехобмоточных трансформаторах  могут быть различны у разных обмоток, тогда

. (5.31)

1. Примеры решения задач по определению потерь электроэнергии

Задача № 1. На подстанции установлено два трансформатора ТРДЦН63000/220, которые питаются по двум воздушным линиям сечением АС400 и длиной 100 км. Нагрузка подстанции в максимальном режиме 100 МВт, . График нагрузки в относительных единицах приведен в таблице 3. Определить потери электроэнергии за сутки и к.п.д. передачи по энергии.

Таблица 3

График нагрузки

Решение

Схема замещения сети показана на рис. 5.5.

Параметры схемы замещения сети определены с использованием .

1. Линия (участок 12), для сечения АС400:

Ом/км; Ом/км;См/км;

кВт/км; кВт/км;

2. Трансформатор (участок 23)

Параметры трансформатора ТРДЦН63000/220:

Потери электроэнергии за сутки складываются из двух составляющих. Первая - это потери в поперечных элементах сети (шунтах), практически не зависящие от параметров режима сети и считающиеся постоянными. Вторая составляющая - это потери в продольных элементах сети, сильно зависящие от передаваемой по ним мощности и, следовательно, являющиеся переменными. Таким образом: .

Постоянные потери можно представить следующим образом:

где - потери активной мощности в шунтах линии, МВт;- потери активной мощности в шунтах трансформатора, МВт.

Переменные потери электроэнергии можно представить в виде:

где ,- максимальная мощность за сутки, отн. ед. или МВт;- мощность потребителя на интервале времениграфика нагрузки, отн. ед. или МВт;N - количество интервалов постоянства мощности на графике нагрузки потребителя; - потери активной мощности в продольных элементах сети в максимальном режиме (режиме максимальных нагрузок), МВт.

Таким образом, для того, чтобы определить суточные потери электроэнергии в сети необходимо рассчитать потери мощности в элементах электрической сети в режиме максимальной нагрузки.

Для расчета этого режима необходимо задать начальные приближения напряжений в узлах сети: кВ;кВ. Поскольку ветвь 33 является идеальным трансформатором, то МВА.

;

Итак, получены следующие суммарные потери:

 в продольных элементах МВт;

 в поперечных элементах МВт.

Отсюда потери электроэнергии в сети:

Определение к.п.д. передачи по энергии. В общем виде к.п.д. передачи по энергии можно определить по следующей формуле:

,

где - потребляемая нагрузкой за сутки полезная электроэнергия, МВтч, ;- число часов использования максимальной нагрузки.

Для определения суточного потребления электроэнергии нагрузкой необходимо определить , которое вычисляется по следующей формуле:

ч;

тогда к.п.д. передачи по энергии .

Задача № 2. Для электрической сети, рассмотренной в задаче № 1, определить потери энергии за год и к.п.д. по энергии, если задан годовой график нагрузки по продолжительности. График нагрузки приведен в табл. 4.

Таблица 4

Годовой график по продолжительности

Решение

При решении задачи № 1 определены потери мощности в данной сети в максимальном режиме: МВт;МВт.

Аналогично расчету суточных потерь электроэнергии годовые потери можно представить следующим образом:

где МВт;,может быть найдено на основе годового графика по продолжительности,ч, тогдаМВтч.

Следовательно, МВтч.

К.п.д. передачи по энергии:

;

.

Задача № 3. Для электрической сети, рассмотренной в задаче № 1, определить годовые потери электроэнергии за год и к.п.д. по энергии, если задано годовое число использования максимальной нагрузки, равное ч.

Решение

При решении задачи № 1 были получены потери мощности в сети в максимальном режиме: МВт;МВт. По аналогии с задачей № 2, можно записать:

Однако переменные потери в данном случае найти, также как в задачах № 1 и 2, нельзя, поскольку не задан график нагрузки электрической сети. В данном случае используется определениепо эмпирической формуле:

;

Сравнение потерь в однофазной и трехфазной линиях при одинаковом токе. Потеря мощности в проводах однофазной линии передачи равна в трехфазной трехпроводной линии передачи потеря мощности будет в 1,5 раза больше, если ток в проводах будет тем же самым и если неизменным остается сечение провода.

Действительно, потеря мощности для такой трехфазной равномерно нагруженной линии, очевидно, будет равна так как в каждом из проводов потеря мощности будет определяться законом Джоуля - Ленца.

Однако при трехфазном токе общая передаваемая мощность будет в 1,732 раза больше, если напряжения между проводами и токи в проводах в случае однофазной и трехфазной линий будут одинаковы.

Сравнение потерь в однофазной и трехфазной линиях при одинаковой передаваемой мощности. Если же, не изменяя напряжения, довести мощность однофазной линии до мощности трехфазной линии, то ток в однофазной линии должен быть увеличен в 1,732 раза.

Потери в проводах при этом возрастут [формула (Б)] в 3 раза, т. е. будут в 2 раза больше потерь в трехфазной линии.

Рис. 7.10. Однофазная передача к трем лампам

Рис. 7.11. Трехфазная передача. Следует обратить внимание на то, что здесь нагрузка соединена треугольником

Пример. Определить потерю мощности в медных проводах, имеющих сечение 4 мм2, по которым на расстояние 100 м (длина линии) передается энергия, необходимая для питания трех 500-ваттных ламп при напряжении на лампах 120 В.

Предположим сначала, что энергия передается однофазным переменным током (рис. 7.10).

Общая мощность ламп напряжение , следовательно, ток, идущий по проводам, будет равен

Сопротивление каждого из проводов определим по формуле

(полагая удельное сопротивление ).

Мощность, теряемая в проводах, при этом

Предположим теперь, что согласно, схеме, представленной на рис. 7.11, передача энергии к тем же трем лампам производится трехфазным током по трехпроводной линии при помощи проводов того же сечения. -

В этом случае мощность Р, ток I (линейный) и напряжение U (линейное, равное напряжению в лампах) будут связаны уравнением

Следовательно, при той же. мощности Р=1500 Вт и при том же напряжении находим

Сопротивление проводов нам известно: для каждого провода

А так как потеря мощности теперь происходит в трех проводах, то находим, что общая потеря мощности составляет

Таким образом, при передаче трехфазным током потеря мощности будет в 2 раза меньше, чем при передаче однофазным током.

Преимущества трехфазных систем. Из рассмотренных примеров достаточно отчетливо видим преимущества трехфазного тока при передаче электрической энергии по проводам. Но самым существенным достоинством трехфазных систем является их удобство для устройства электрических двигателей.

Режимные трудности усугубляются тем, что в настоящее время структура генерирующих мощностей меняется в сторону снижения маневренности, это связано с вводом в эксплуатацию крупных блоков. Для покрытия пиков нагрузки энергосистем приходится привлекать к переменным режимам работы блоки мощностью 200-300 МВт на газомазуте, которые на это не рассчитаны. В отдельные дни электростанция мощностьюуст = 18 ГВт выдает до 1,2-1,5 ГВт.

Около 50 % времени в году блоки эксплуатируются при нагрузках 40 % от номинальной мощности. При такой эксплуатации оборудования блоков снижается их экономичность. Снижение нагрузки энергосистем в воскресные дни приводит к необходимости отключения части блоков (20-25 раз в году), что в свою очередь повышает аварийность оборудования, так как велика вероятность отказа блока при пуске (до 0,4).

Исследования показали, что проблема покрытия графика нагрузки энергосистемы может быть решена только комплексно –– путем увеличения маневренности оборудования; сооружения пиковых электростанций; внедрения специальных блоков повышенной маневренности на газомазуте мощностью 500 МВт, использования газотурбинных станций; сооружения гидроаккумулирующих электростанций, введения режимных мероприятий, объединения энергосистем в единую ЭЭС РФ.

Контрольные вопросы

1. Каковы способы представления нагрузки как динамической характеристики?

2. Что такое типовые графики нагрузки? Какие графики используются в качестве типовых?

3. Каковы основные показатели графиков нагрузки? Разъяснить их смысл.

4. Как строится график нагрузки по продолжительности?

5. Назовите характерные показатели графиков нагрузок.

6. Как определяются показатели нагрузки узла сети по данным отдельных потребителей?

7. Как определяются показатели нагрузки системы по данным нагрузок подсистем?

8. Какие характерные зоны выделяют в графиках нагрузки?

5. ПОТЕРИ МОЩНОСТИ И ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

Передача электроэнергии сопровождается потерями активной и реактивной мощности и энергии. Потерянная энергия расходуется на нагрев проводов ЛЭП, обмоток, корпуса и сердечников трансформаторов.

Потери активной мощности связаны с необходимостью установки дополнительной мощности генераторов и дополнительными расходами топлива, следовательно, дополнительными затратами на компенсацию потерь. Потери активной мощности в электрических сетях составляют от 2 до 6 % мощности нагрузок.

Потери реактивной мощности в элементах электрических сетей приводят к возрастанию потерь активной мощности, обусловливают установку дополнительных компенсирующих устройств, что также связано с дополнительными затратами. Потери реактивной мощности в электрических системах в несколько раз больше потерь активной мощности, это объясняется соотношением актив-

Величина потерь реактивной мощности в элементах электрических систем составляет от 6 до 12 % мощности нагрузок .

Уровень потерь как активной, так и реактивной мощности зависит от класса напряжения сети и уменьшается с увеличением класса напряжения .

5.1. Потери мощности в участке сети

Рассмотрим участок сети, схема замещения которого показана на рис. 5.1. Обозначения, принятые на рисунке, следующее: - сопротивление,

Проводимости схемы замещения, которые считаем заданными;

Здесь н ик –– соответственно потоки мощности в начале и конце сопротивления.

где ∆ ш , = 1, 2 - потери мощности в шунтах схемы замещения.

Потери мощности в шунтах (5.2) не зависят от токов (потоков), передаваемых через участок сети, поэтому называются постоянными потерями.

На основании первого закона Кирхгофа для узлов 1 и 2 можно записать

переменных потерь мощности может быть представлено в различных формах, например

∆ ; ∆.

Следует обратить внимание, что потери мощности могут быть определены по данным как начала, так и конца участка - важно использовать напряжения и потоки мощности для одной и той же точки участка («к» или «н»).

Для связи потоков и потерь можно использовать следующие выражения:

Активные потери в шунтах ∆ ш определяются потерями на корону, а реактивная составляющая∆ ш определяется емкостной генерацией линии. Обычно для расчетов потери активной мощности на корону в ЛЭП принимают равными средним удельным потерям∆ кор.ср и определяют из справочников . С учетом числа параллельных

линий и длины ЛЭП

потери в шунтах

∆ кор.max

∆ кор.min

∆ ш

∆ кор.ср

Переменную составляющую потерь мощности можно определить по введенным ранее формулам (5.5).

В приближенных расчетах, когда неизвестны точные значения напряжений

в узлах электрической сети, потери мощности можно определять по прибли-

женным (средним) значениям напряжений .

5.3. Потери мощности в трансформаторах

Схема замещения двухобмоточного трансформатора отличается от схемы замещения рис. 5.1 только тем, что = 0, поэтому введенные ранее выражения для вычисления потерь также справедливы для трансформаторов.

Для приближенных расчетов постоянную составляющую потерь в транс-

трансформаторах (потери в меди) в соответствии с (5.4) может быть определена по формуле

При определении потерь мощности в трехобмоточных трансформаторах и автотрансформаторах следует учитывать загрузку каждой из обмоток трансформаторов и потери короткого замыкания каждой из обмоток:

где - число трансформаторов;в ,с ,н - потоки мощности по обмоткам высшего, среднего и низшего напряжения соответственно;∆ к в .з ,∆ к с .з ,∆ к н .з - потери короткого замыкания обмоток;ном - номинальная мощность трансформатора.

5.4. Потери энергии в элементах электрических сетей

Величина потерь электроэнергии зависит от потерь мощности и времени работы сети. Рассмотрим передачу мощности через трансформатор (рис. 5.2).

бителей не остаются постоянными, а меняются в соответствии с графиком нагрузки (рис. 5.3, а ). Тогда переменная составляющая потерь активной мощно-

Нагрузочные потери активной мощности в линии электропередачи

Так как ток в линии связан с модулем передаваемой мощности соотношением , то выражение для этих потерь можно записать в виде

. (5.2)

Аналогично определяются нагрузочные потери реактивной и полной мощности:

, (5.3)

К условно-постоянным потерям активной мощности в линиях относятся потери на коронный разряд, потери в изоляторах, а также диэлектрические потери в изоляции кабелей и воздушных линий с изолированными проводами. Потери на коронный разряд зависят от радиуса провода, напряжения сети и погодных условий. Чем меньше радиус провода, выше напряжение и больше влажность воздуха, тем больше эти потери. Поэтому в линиях сверхвысокого напряжения для снижения потерь на коронный разряд каждая фаза расщепляется на несколько проводов, в результате чего увеличивается эквивалентный радиус провода.

Условно-постоянные потери реактивной мощности в линиях – это потери в емкости. Поскольку емкость генерирует реактивную мощность, то они отрицательны и вместо них обычно используется обратная им по знаку величина зарядной мощности. Для линии в целом эта мощность равна

, (5.5)

где U ср.кв – среднеквадратичное напряжение в линии, которое при приближенных расчетах может быть принято равным номинальному напряжению.

Суммарные потери полной мощности в линиях определяются по выражению

где ΔР кор – потери мощности на коронный разряд.

Конец работы -

Эта тема принадлежит разделу:

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ И СЕТИ

высшего профессионального образования... ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ... С С Гиршин В В Тевс...

Если Вам нужно дополнительный материал на эту тему, или Вы не нашли то, что искали, рекомендуем воспользоваться поиском по нашей базе работ:

Что будем делать с полученным материалом:

Если этот материал оказался полезным ля Вас, Вы можете сохранить его на свою страничку в социальных сетях:

Все темы данного раздела:

Общие положения
В общем случае линию электропередачи можно представить в виде П-образной схемы замещения четырехполюсника (рис. 2.1).

Активное сопротивление линии
В общем случае активное сопротивление линии переменному току определяется по формуле

Индуктивное сопротивление линии
Наличие индуктивного сопротивления обусловлено магнитным полем, создаваемым линией. Если каждая фаза линии состоит из одного провода, то погонное индуктивное сопротивление, Ом/км, о

Проводимости линий
Активная проводимость моделирует потери активной мощности на коронный разряд и в изоляторах воздушных линий с неизолированными проводами и диэлектрические потери в изоляции кабельны

Упрощенные (практически применяемые) схемы замещения линий
Потери мощности на коронный разряд увеличиваются при увеличении напряжения линии. Если номинальное напряжение не превышает 330 кВ, то эти потери в большинстве случаев оказываются на

Двухобмоточные трансформаторы
Двухобмоточным называется трансформатор, который имеет одну обмотку высшего напряжения (первичную) и одну обмотку низшего напряжения (вторичную). Условное обозначение этого трансфор

Трехобмоточные трансформаторы
Трехобмоточным называется трансформатор, у которого имеется 3 обмотки: высшего, среднего и низшего напряжений. Условное обозначение показано на рис. 3.4, а схема замещения – на рис.

Автотрансформаторы
Автотрансформатором называется трехобмоточный трансформатор, у которого обмотка среднего напряжения является частью обмотки высшего напряжения. Условное обозначение автотрансформато

Трансформаторы с расщепленной обмоткой
Трансформатором с расщепленной обмоткой называется трансформатор, у которого имеется одна обмотка высшего напряжения и две одинаковые обмотки низшего напряжения. Условное обозначени

ПОТЕРИ И ПАДЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Рассмотрим линию электропередачи, по которой протекает ток I и передается мощность S, а напряжения в начале (со стороны источника питания) и в конце (со стороны нагруз

Потери мощности в трансформаторах
Нагрузочные потери мощности в двухобмоточных трансформаторах определяются аналогично потерям в линиях по выражениям

Общие положения
Потери энергии связаны с потерями активной мощности соотношением

Метод средних нагрузок
Выразим нагрузочные потери энергии через ток: , (6.3)

Метод времени максимальных потерь
Изменения нагрузок во времени в течение года обычно представляют в виде упорядоченной диаграммы по снижению максимумов (рис. 6.1). Выражение для нагрузочных потерь энергии с

СПОСОБЫ ЗАДАНИЯ НАГРУЗОК И ГЕНЕРАТОРОВ
Источники питания при расчете режимов электрических сетей могут задаваться следующим образом. 1. Постоянной активной и реактивной мощностью Рг=const, Q