Потери электроэнергии в сетях и трансформаторах: источники и оценка

Потери электроэнергии в сетях и трансформаторах оценивают не как простую разницу между двумя показаниями счётчиков, а через физическую модель конкретных участков электроснабжения. Основная задача — разделить составляющие, которые растут с током нагрузки, и потери, сохраняющиеся при включённом оборудовании даже при небольшой передаваемой мощности.

Для практической оценки нужны токи и загрузка фидеров, параметры линий, данные трансформаторов и продолжительность характерных режимов. Затем по участкам сети оценивают потери, зависящие от тока, отдельно учитывают потери трансформаторов и проверяют факторы, способные изменить картину: неравномерную загрузку, реактивную мощность и несоответствие мощности трансформатора фактическому режиму.

Какие потери нужно разделять

При анализе электрической сети важно не объединять все потери в одно число. Их механизм зависит от того, где и при каком режиме передаётся энергия.

Для практической оценки выделяют:

• потери в линиях, связанные с прохождением тока через электрическое сопротивление;
• нагрузочные потери трансформаторов, изменяющиеся вместе с их загрузкой;
• потери холостого хода трансформаторов, существующие при включённом трансформаторе независимо от текущей полезной нагрузки;
• дополнительные режимные факторы, которые способны изменить токи и распределение нагрузки по сети.

Такое разделение необходимо потому, что меры для разных источников потерь различаются. Участок с повышенными потерями при большой токовой нагрузке требует другой проверки, чем трансформатор, длительно работающий при небольшой загрузке.

Какие исходные данные нужны

Исходные данные должны описывать одновременно схему, оборудование и фактические режимы. Расчёт только по паспортной информации без сведений о загрузке не показывает реальную структуру потерь.

Для анализа используют:

• токи или данные о загрузке фидеров;
• параметры линий, необходимые для оценки электрических потерь;
• характеристики установленных трансформаторов;
• фактическую загрузку трансформаторов;
• продолжительность характерных режимов;
• данные учёта и эксплуатационные записи в пределах рассматриваемой задачи;
• сведения, позволяющие проверить границу анализируемой сети.

Граница анализа — это точно определённый участок электрической системы, для которого сопоставляются входящий поток энергии, нагрузка и параметры оборудования. Если границы приборов учёта не совпадают с рассматриваемым участком, разность показаний нельзя напрямую интерпретировать как технические потери.

Как оценивают потери в линиях

Потери в проводниках связаны с током и электрическим сопротивлением. Для их режимной оценки используют зависимость типа I²R: при прочих равных рост тока увеличивает потери в проводнике нелинейно.

Поэтому для одного и того же участка недостаточно знать среднее потребление за месяц. Нужно понимать, при каких токах и как долго работала линия.

Практическая последовательность выглядит так:

1. определить параметры рассматриваемого участка линии;
2. получить токовую нагрузку для характерных режимов;
3. оценить потери для каждого режима;
4. учесть продолжительность этих режимов;
5. сопоставить участки между собой и определить, где вклад потерь требует дополнительной проверки.

Так можно отличить линию, которая редко работает с высокой нагрузкой, от участка, где значительный ток сохраняется продолжительное время.

Почему средний ток может скрыть проблему

Если нагрузка существенно меняется во времени, расчёт по одному усреднённому значению способен сгладить режимы, в которых потери наиболее заметны.

Например, одинаковая средняя нагрузка за длительный период может складываться из относительно равномерной работы либо из чередования небольшого потребления и выраженных пиков. Для потерь, зависящих от квадрата тока, эти режимы энергетически неравнозначны.

Поэтому в участках с изменяющейся нагрузкой полезно использовать несколько характерных точек или интервальный профиль, а не только итоговое среднее значение.

Как учитывать потери трансформатора

Для трансформатора необходимо разделять как минимум две составляющие: потери холостого хода и потери, связанные с нагрузкой.

Потери холостого хода возникают при включённом трансформаторе даже тогда, когда полезная нагрузка невелика. Нагрузочная составляющая изменяется вместе с током.

Поэтому оценка трансформатора должна учитывать не только его номинальные параметры, но и фактический профиль эксплуатации:

• какое время трансформатор находится под напряжением;
• какова его фактическая загрузка;
• как часто возникают высокие и низкие режимы;
• насколько продолжительны периоды небольшой нагрузки;
• как нагрузка распределена между параллельно работающими трансформаторами, если такая схема применяется.

Именно режим эксплуатации определяет, какая составляющая потерь является существенной для рассматриваемого периода.

Почему крупный трансформатор не всегда означает меньшие потери

Запас установленной мощности сам по себе не является доказательством энергетической эффективности. Если трансформатор значительно превышает фактическую потребность и длительно работает при небольшой загрузке, структура его потерь будет отличаться от режима, близкого к рабочему диапазону.

Но и сам факт низкой загрузки ещё не доказывает необходимость замены оборудования. Необходимо оценить реальный график, требования к резервированию и другие эксплуатационные ограничения.

Поэтому вывод строят не по отношению фактической мощности к номинальной как единственному показателю, а по совокупности режима, продолжительности работы и рассчитанных составляющих потерь.

Как влияет неравномерная загрузка

Несбалансированная нагрузка способна изменить токовый режим сети и поэтому должна рассматриваться как отдельное объяснение повышенных потерь.

Если часть сети нагружена существенно сильнее другой, общий энергетический результат может определяться не столько суммарной мощностью, сколько тем, как эта мощность распределена по фидерам и оборудованию.

Практически проверяют:

• распределение нагрузки между участками;
• различия токов в сопоставимых элементах сети;
• повторяемость перегруженного или недогруженного режима;
• возможность перераспределения нагрузки без нарушения эксплуатационных требований.

Только после такой проверки можно обосновывать изменение схемы загрузки как потенциальную меру.

Как реактивная мощность связана с потерями

Реактивная составляющая может увеличивать ток при той же передаваемой активной мощности. Для оценки потерь это важно, поскольку ток непосредственно влияет на нагрузочные потери в линиях и трансформаторах.

Но сам факт наличия реактивной мощности не определяет величину возможного эффекта. Необходимо установить её фактическое влияние на токи рассматриваемого участка и продолжительность соответствующего режима.

Поэтому корректная последовательность такова:

1. зафиксировать фактический режим;
2. определить, как он влияет на ток;
3. оценить соответствующую составляющую потерь;
4. только затем рассматривать техническое изменение режима как отдельную меру.

Почему разница счётчиков не равна автоматически техническим потерям

Если показания на входе и выходе участка различаются, это ещё не означает, что вся разница физически потеряна в линиях или трансформаторах.

До такого вывода необходимо проверить:

• совпадают ли временные интервалы учёта;
• одинакова ли граница сравниваемых потоков;
• учтены ли все промежуточные потребители;
• нет ли различий в полноте данных;
• согласуются ли измеренные значения с расчётной моделью сети.

Разность приборов учёта полезна как диагностический признак, но физическую природу этой разности подтверждают отдельным анализом.

Как локализовать участок с повышенными потерями

Наиболее полезный результат получается не из одного общего значения для всей сети, а из расчёта по отдельным участкам.

Для каждого фидера, линии или трансформатора формируют режимную оценку и затем сопоставляют:

• величину расчётных потерь;
• продолжительность режима, в котором они возникают;
• долю участка в общей картине;
• достоверность исходных данных;
• возможность дополнительного измерения или изменения режима.

Так появляется возможность ранжировать источники не по установленной мощности оборудования, а по подтверждаемому вкладу в потери рассматриваемой сети.

Когда требуется дополнительное измерение

Расчётная оценка становится слабой, если неизвестны реальные токи, режимы загрузки или длительность их действия. В такой ситуации разумнее назначить измерение на конкретный участок, чем пытаться уточнять итог за счёт предположений.

Дополнительные данные особенно нужны, если:

• нагрузка существенно меняется во времени;
• неясно распределение мощности между фидерами;
• трансформаторы работают в нескольких существенно различающихся режимах;
• есть подозрение на неравномерную загрузку;
• измерительный баланс и расчётная модель заметно расходятся.

Результатом такого этапа должно быть уменьшение неопределённости по конкретному источнику, а не просто накопление дополнительных показаний.

Когда имеет смысл рассматривать перераспределение нагрузки

Если расчёт показывает, что значимая часть потерь связана с неравномерным распределением токов между доступными участками сети, следующим шагом становится проверка возможности перераспределения нагрузки.

Но такое решение должно учитывать фактическую схему, режимы оборудования и эксплуатационные ограничения. Само наличие различий в загрузке ещё не означает, что их можно или нужно устранять.

Обоснование появляется тогда, когда подтверждены одновременно:

• участок с повышенными нагрузочными потерями;
• устойчивый характер соответствующего режима;
• доступный альтернативный вариант распределения;
• изменение расчётных потерь при новом режиме.

Когда появляется основание для модернизации

Модернизацию имеет смысл рассматривать после того, как источник потерь локализован и показано, что режимной корректировкой проблема не устраняется либо такая корректировка ограничена условиями эксплуатации.

Иными словами, последовательность должна идти от диагностики к решению:

1. определить участок и механизм потерь;
2. подтвердить фактический режим;
3. проверить возможность эксплуатационного изменения;
4. оценить необходимость дополнительных измерений;
5. только после этого рассматривать техническое изменение сети или оборудования.

Так модернизация становится следствием подтверждённой причины, а не реакцией на общее превышение расхода.

Как выглядит практический результат

Итогом должна быть оценка технических потерь по участкам сети с выделением приоритетных и проверяемых источников. Для каждого существенного участка должно быть понятно:

• какой механизм формирует расчётные потери;
• от каких параметров и режима зависит их величина;
• насколько надёжны исходные данные;
• нужно ли дополнительное измерение;
• есть ли основание проверять перераспределение нагрузки или техническую модернизацию.

Граница результата принципиальна: расчётные потери зависят от корректности схемы, параметров оборудования и фактического режима. Разница показаний счётчиков сама по себе не равна техническим потерям и требует отдельной проверки.

Связанные направления

Для системного поиска энергетических потерь в инженерной инфраструктуре см. «Выявление потерь энергии в инженерных системах». Для обследования электрической части объекта см. «Системы электроснабжения». Другие практические материалы собраны в разделе «Материалы».