Table of Contents

Введение

Потери энергии в первичных системах передачи и распределения представляют собой значительную утечку в энергосистемах по всему миру. Эти потери не только увеличивают эксплуатационные расходы на коммунальные услуги, но и увеличивают углеродный след доставки электроэнергии, поскольку дополнительная генерация должна компенсировать рассеиваемую энергию. Для операторов систем, руководителей объектов и специалистов по устойчивому развитию понимание и смягчение этих потерь является рычагом высокого воздействия для повышения общей эффективности сети. В глобальном масштабе потери передачи и распределения могут варьироваться от 5% в современных, хорошо обслуживаемых сетях до более 20% в стареющих или плохо управляемых системах. Снижение этих потерь напрямую приводит к снижению затрат на энергию, отложенным инвестициям в инфраструктуру и измеримому прогрессу в достижении экологических целей.

В этой статье представлено всеобъемлющее практическое руководство по наиболее эффективным стратегиям сокращения потерь первичной энергии системы. От модернизации физических проводников до использования передовых цифровых средств управления каждая тактика рассматривается на ее технической основе, соображениях реализации и типичном потенциале экономии.

Понимание потерь первичной энергии системы

Первичные системные потери энергии происходят в нескольких точках между электростанцией и подстанцией конечного распределения. Они широко классифицируются на технические и нетехнические потери, хотя в этой статье основное внимание уделяется техническим потерям - тем, которые присущи физике передачи электроэнергии.

Категории технических потерь

Убытки (Joule)

Это доминирующая форма потерь, выраженная как I2R потеря, где ток (I) в квадрате, умноженный на сопротивление проводника (R), определяет мощность, рассеиваемую в виде тепла. Каждый проводник, обмотка трансформатора и компонент распределительного устройства способствует этой потере. Более высокий поток тока и более высокое сопротивление (из-за малого сечения проводника, больших расстояний или плохой проводимости материала) непосредственно увеличивают потери.

Основные потери в трансформаторах

Трансформаторы испытывают два основных типа потерь: гистерезис (энергия, необходимая для намагничивания материала ядра) и потери тока вихря (обращающиеся токи, индуцированные в ядре). Даже когда трансформатор не находится под нагрузкой, эти фиксированные потери сохраняются. Старые трансформаторы с обычными зерноориентированными ядрами из кремниевой стали особенно неэффективны по сравнению с современными конструкциями аморфных металлических ядер.

Корона и диэлектрические потери

При высоких напряжениях ионизация воздуха вокруг проводников создает разряд короны, приводя к потере энергии, радиопомехам и образованию озона. Аналогично, изоляционные материалы (диэлектрики) в кабелях и конденсаторах проявляют диэлектрические потери, которые увеличиваются с частотой и напряжением напряжения. Эти потери становятся значительными в системах сверхвысокого напряжения (EHV) выше 220 кВ.

Реакция и кожный эффект

Системы переменного тока (AC) страдают от реактивных потоков мощности, которые не выполняют полезную работу, но все же создают резистивные потери.Эффект кожи заставляет ток переменного тока течь преимущественно на поверхности проводника, эффективно увеличивая сопротивление на более высоких частотах и больших размерах проводника.

Нетехнические потери (краткое упоминание)

Хотя нетехнические потери, такие как кражи, неточности учета и ошибки выставления счетов, выходят за рамки этой статьи, обратите внимание, что они могут быть уменьшены с помощью интеллектуального учета, защищенных от подделок корпусов и строгого аудита.

Стратегии минимизации потерь первичной энергии

Следующие стратегии касаются описанных выше технических механизмов потерь. Реализуемость реализации зависит от напряжения системы, возраста инфраструктуры, профиля нагрузки и экономических факторов. Сочетание подходов обычно дает наилучшую отдачу от инвестиций.

1. Модернизация проводников и рекондукорирование

Замена существующих проводников материалами с более низкой устойчивостью является одним из самых прямых способов сокращения потерь I2R. Высокопроводимость меди предлагает наименьшее сопротивление (1,68 мкОм·см), но стоимость часто толкает утилиты к алюминиевым сплавам. Алюминиевый проводник стальной армированный (ACSR) и Все-алюминиевый сплав проводник (AAAC) опции обеспечивают хорошие отношения проводимости к весу. Для существующих линий, повторное кондиционирование с передовыми композитными ядрами (например, углеродно-волоконные ядра) позволяет более высокие рабочие температуры без провисания, что позволяет увеличить емкость тока с меньшими потерями.

Рекондукторинг требует перебоев в работе, квалифицированной рабочей силы и тщательного натяжения. Однако снижение потерь может быть значительным — на линии 100 км, 230 кВ, замена проводника ACSR мощностью 795 кмиль на высокотемпературный проводник с низким содержанием мешка может сократить резистивные потери на 30-40%. Коммунальные службы должны уделять приоритетное внимание рекондукорированию на сильно нагруженных цепях, где потери являются самыми высокими.

2. Принятие высоковольтной и сверхвысоковольтной передачи

Передача мощности при более высоких напряжениях уменьшает ток для той же подачи мощности (P = V × I), тем самым сокращая потери I2R. Стандартное повышение напряжения передачи переменного тока - от 138 кВ до 345 кВ, например - может сократить резистивные потери примерно на 85% для того же проводника. Кроме того, линии сверхвысокого напряжения (UHV) при 800 кВ или 1100 кВ все чаще развертываются для передачи сыпучих мощностей на большие расстояния.

Высоковольтный постоянный ток (HVDC) предлагает ещё большие преимущества перед дальними расстояниями и подводными кабелями: отсутствие потерь реактивной мощности, отсутствие эффекта кожи и снижение потерь короны. Связи HVDC также позволяют асинхронное соединение сетей. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) сообщает, что системы HVDC могут достигать потерь линии до 3% на 1000 км, по сравнению с 6–8% для переменного тока. Модернизация напряжения требует новых или модернизированных трансформаторов, распределительных устройств и координации изоляции, но долгосрочная экономия энергии оправдывает капитальные вложения.

3. Повышение эффективности и размера трансформатора

Трансформаторы повсеместно используются в первичных системах, повышая напряжение при генерации и понижая на подстанциях. Потери, разделенные между безнагрузочными (ядро) потерями и нагрузочными (медными) потерями. Высокоэффективные трансформаторы используют аморфные металлические сердечники для снижения потерь без нагрузки на 70-80% по сравнению с традиционной кремниевой сталью. Правильный размер трансформатора одинаково важен: сверхгабаритный трансформатор работает при низкой нагрузке, где потери ядра доминируют в процентах от пропускной способности; малогабаритный трансформатор работает горячо, увеличивая потери I2R и сокращая срок службы изоляции. Коммунальные службы должны проводить исследования потока нагрузки, чтобы соответствовать мощности трансформатора с ожидаемыми пиковыми нагрузками, и рассмотреть параллельные банки трансформатора

Стандарты США по энергосбережению для распределительных трансформаторов способствуют принятию проектов по снижению потерь. Модернизация с использованием премиальных эффективных блоков может обеспечить периоды окупаемости 2-5 лет только на основе экономии потерь.

4. внедрение технологий интеллектуальных сетей для оптимизации в реальном времени

Передовые системы мониторинга и управления позволяют операторам сетей динамически управлять потоками электроэнергии и профилями напряжения, непосредственно снижая потери.

  • Фазорные измерительные блоки (PMU) , которые обеспечивают синхронизированные по времени высокоскоростные данные о напряжении и токе в широких областях, что позволяет быстро идентифицировать тяжелые условия потери.
  • Системы управления распределением (DMS) и систем управления отключением (OMS) , которые оптимизируют переключение на перенаправлять питание по путям с более низкими потерями.
  • Системы оптимизации вольта/вара (VVO) , которые координируют регуляторы напряжения, конденсаторы и трансформаторы, изменяющие чечетку, для поддержания напряжения в оптимальных диапазонах — снижая как резистивные потери, так и реактивные потоки мощности.
  • Передовая инфраструктура учета (AMI) , которая предоставляет данные о гранулированной нагрузке, позволяя утилитам выявлять аномалии потерь и реализовывать программы реагирования на спрос, чтобы сгладить пиковый спрос, который возникает, когда потери I2R резко возрастают.

Инвестиции в интеллектуальные сети обеспечивают снижение потерь в среднем на 2-5% с большей экономией в системах, которые в настоящее время не имеют видимости в реальном времени. Исследование IEEE Smart Grid подчеркивает, что интеграция этих технологий создает самоисцеляющуюся сеть, которая по своей сути минимизирует потери.

5. Снижение длины линий за счет оптимизации сети и распределенной генерации

Каждый дополнительный километр линии электропередачи добавляет резистивные и коронные потери. Оптимизация топологии сети включает в себя рекуперацию более коротких маршрутов, устранение ненужных петель и размещение подстанций ближе к центрам нагрузки. Однако во многих случаях физическая длина линии фиксируется географией и существующими правами на дорогу. Мощной альтернативой является распределенная генерация (DG) — размещение солнечных фотоэлектрических массивов, ветряных турбин, комбинированных тепловых и энергетических установок (CHP) или небольших гидроагрегатов вблизи точек спроса. DG уменьшает расстояние, на которое мощность должна перемещаться от центральных станций, непосредственно уменьшая потери первичной линии.

Например, солнечная установка на крыше, обслуживающая коммерческое здание, может сократить потери кормовых элементов на 10-15% на уровне распределения. В более крупном масштабе солнечные фермы коммунального масштаба, подключенные при напряжениях субтрансмиссии (69-138 кВ), компенсируют потребность в сыпучих мощностях на большие расстояния. Тщательное размещение и калибровка DG, руководствуясь анализом хостинговой мощности, максимизирует снижение потерь, не вызывая повышения напряжения или проблем с обратным потоком энергии. Управление энергетической информации США (] EIA ) отмечает, что только распределенная солнечная энергия сократила потери передачи в некоторых регионах более чем на 1%.

6. Интеграция систем хранения энергии для выравнивания нагрузки

Хранение энергии, такое как системы накопления энергии аккумулятора (BESS) и гидронакачивание, обеспечивает двойное преимущество для снижения потерь. Во-первых, хранение переносит потребление с пиковых на внепиковые часы , сглаживая кривую нагрузки. Поскольку потери I2R увеличиваются квадратично с током, снижение пиковой нагрузки даже на 10% может сократить потери пикового времени на 19% (0,92 = 0,81, т.е. снижение на 19%). Во-вторых, хранение может обеспечить поддержку реактивной мощности и регулирование напряжения, уменьшая потребность в импортируемой реактивной мощности из сети передачи, которая несет свои собственные потери.

Установки BESS на подстанциях могут поглощать избыточную генерацию в периоды низкого спроса (например, полуденная солнечная перегенерация) и разрядку во время вечерних пиков. Это не только снижает потери линии, но и отсрочивает модернизацию трансформатора. Например, литий-ионный BESS мощностью 10 МВт/40 МВтч на сильно загруженном фидере 115 кВ может снизить ежегодные потери энергии на 2-3%, а также повысить надежность.

7. Исправление коэффициента мощности

Низкий коэффициент мощности (зависание) увеличивает ток, необходимый для доставки заданного количества реальной мощности, накачивая потери I2R. Банки-капитаторы стратегически размещены на подстанциях и вдоль распределительных фидеров обеспечивают реактивную мощность локально, улучшая коэффициент мощности и уменьшая поток тока в линиях восходящего потока. Корректирующий коэффициент мощности от 0,8 до 0,95 уменьшает общий ток примерно на 16% (с I ⁇ 1/PF), сокращая резистивные потери почти на 30% (с потерями ⁇ I2).

Современные банки автоматических конденсаторов с коммутацией на основе контроллера реагируют на условия нагрузки в режиме реального времени, избегая перекоррекции. Многие коммунальные службы теперь предлагают тарифные стимулы для клиентов для поддержания высокого коэффициента мощности, что еще больше поощряет принятие.

8. Управление спросом и балансировка нагрузки

Коммунальные службы могут работать с крупными коммерческими и промышленными клиентами, чтобы переносить нагрузки с пиковых часов через программы реагирования на запросы (DR).. За счет снижения пикового спроса токи подстанции и фидеров падают, непосредственно снижая потери I2R. Кроме того, балансировка нагрузки на трех этапах — обеспечение равного тока на каждой фазе — минимизирует нейтральные токи проводника и снижает общие потери системы. Фазовый дисбаланс в распределительных сетях может добавить 5-10% к потерям; коррекция его посредством реконфигурации и переноса нагрузки предлагает недорогой быстрый выигрыш.

9. Регулярное техническое обслуживание и управление растительностью

Накопленная грязь, соль и загрязнение на изоляторах увеличивают токи утечки и запускают вспышки, теряя энергию. Регулярная очистка изолятора и применение гидрофобных покрытий (силикон, RTV) уменьшают утечку поверхности. Свободные соединения в шинных перемычках, перемычках и контактах переключателей создают горячие точки с высокой устойчивостью, которые увеличивают потери и сбой риска — тепловые обследования изображений могут обнаруживать их и определять приоритетность ремонта. Управление растительностью (обрезка деревьев) вблизи линий минимизирует потери короны, вызванные искажением поля, вызванным деревом, и снижает риск отключения, что косвенно предотвращает переключение восстановления потерь.

Интеграция стратегий: целостный подход

В то время как каждая из вышеперечисленных стратегий обеспечивает измеримое снижение потерь, наибольшее влияние оказывает интегрированный общесистемный план. Например, утилита может сочетать модернизацию проводников с интеллектуальными сетевыми элементами управления для динамического управления напряжением, одновременно развертывая распределенное хранилище солнечных батарей и аккумуляторов для сглаживания нагрузки. Синергия между этими мерами умножает экономию. Комплексный аудит потерь энергии - с использованием данных SCADA, AMI и счетчиков качества электроэнергии - должен определять сегменты с наибольшими потерями, а затем расставлять приоритеты инвестиций с использованием анализа затрат и выгод.

В Соединенных Штатах Федеральная комиссия по регулированию энергетики (FERC) Приказ 2222 поощряет агрегацию распределенных ресурсов, что облегчает распределенную генерацию и хранение. В глобальном масштабе Международное энергетическое агентство (FLT:0) IEA подчеркивает, что модернизация сетей имеет важное значение для интеграции возобновляемых источников энергии и снижения потерь.

Заключение

Сокращение потерь энергии первичной системы является многогранным делом, которое требует как капитальных инвестиций, так и операционной дисциплины. От фундаментальных модернизаций проводников и замены трансформаторов до передовых цифровых средств управления и распределенных энергетических ресурсов инструменты проверены и становятся все более экономически эффективными. Даже скромное процентное сокращение потерь приводит к гигаватт-часов экономии энергии ежегодно для крупных сетей с соразмерным сокращением потребления топлива и выбросов парниковых газов. Для организаций, приверженных энергоэффективности и устойчивости, реализация портфеля этих стратегий является не просто техническим улучшением - это стратегический императив. Систематическое решение резистивных, основных, коронных и реактивных потерь, коммунальные предприятия и операторы объектов могут снизить затраты, отложить модернизацию инфраструктуры и построить более устойчивую, эффективную энергетическую систему для будущего.