СПОСОБ РАЗМЕЩЕНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТРОЙСТВ В СЕЛЬСКИХ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ 0,4 КВ Российский патент 2015 года по МПК H02J3/18 

Способ размещения конденсаторных устройств относится к электроэнергетике, в частности к устройствам компенсации реактивной мощности в сельских распределительных сетях 0,4 кВ.

В России в настоящее время низковольтные конденсаторные устройства в сетях 0,4 кВ устанавливают только промышленные предприятия. Считается, что из-за относительно коротких фидеров и небольшой присоединенной мощности компенсация реактивной мощности и фильтрация высших гармоник в сетях 0,4 кВ экономически невыгодны. Интенсивный рост потребления электроэнергии в жилищном секторе и значительная несимметрия однофазных потребителей приводит к резкому уменьшению качества электрической энергии непосредственно у потребителей. В связи с этим за последние годы резко выросло число потребителей электроэнергии жилищного сектора, понесших экономический ущерб, вследствие поставки электрической энергии, не соответствующей нормам качества. Встает вопрос о необходимости повышения качества электрической энергии у коммунально-бытовых потребителей, что эффективнее всего сделать, установив конденсаторные устройства (КУ). К тому же проведенные ранее расчеты показали, что около 70% всей мощности компенсирующих устройств, которые необходимо установить в электрических сетях России, целесообразно устанавливать в сетях 0,4 кВ, 25% - в сетях 6-10 кВ и около 5% - в сетях 110 кВ и выше. Такое распределение обеспечит минимум суммарных затрат на компенсирующие установки и на потери электроэнергии во всех сетях в целом. Устанавливать конденсаторные установки целесообразно в глубине сети 0,4 кВ, особенно в случае воздушных линий (ВЛ) 0,4 кВ. Здесь может оказаться достаточной небольшая мощность установки (в зарубежных странах используются конденсаторы наружной установки на опорах ВЛ). Такие устройства могут быть установлены в линиях с неоднородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных близко к центру питания, или линиях с однородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных в зоне последнего ответвления. Напряжение в линиях с неоднородными нагрузками, подключенных к распределительному трансформатору и расположенных близко к центру питания, повышается. [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].

Отличительными особенностями сетей 0,4 кВ являются: неодинаковость нагрузок фаз вследствие наличия двухфазных и однофазных ответвлений от магистрали. Большинство нагрузок в этих сетях однофазные, подключенные между фазным и нулевым проводами на напряжение 0,23 кВ. При этом не всегда удается присоединить нагрузки к трехфазной сети равномерно между фазами. Кроме того, включение и отключение абонентами происходит независимо друг от друга.

Для обеспечения экономического эффекта производят расчет оптимальной мощности и мест установки КУ. Поскольку сети 0,4 кВ имеют сложную структуру с множеством узлов ее можно считать сложной сетью. В такой сети трудно определить оптимальную мощность КУ в каждом узле, рассматривая его отдельно. Изменение потока реактивной мощности на каждом участке сети определяется КУ, установленными во всех ее узлах. Установка КУ в одном узле изменяет показатели эффективности их установки в других узлах. В этом случае ставится задача определения оптимального сочетания мощности и мест установки КУ, обеспечивающих минимум суммарных затрат. Такое решение должно также обеспечивать допустимые уровни напряжений в узлах. Последние обычно задаются ограничениями в форме неравенств [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].

Расчет эффективного места установки конденсаторных устройств для сетей напряжением выше 0,4 кВ обычно выполняют градиентными методами оптимизации, реализующими итерационные алгоритмы постепенного приближения к оптимальному решению [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.]. Для определения направления движения к минимуму рассчитывают частные производные суммарных затрат (целевой функции) по мощности КУ в каждом узле. Физически они представляют собой удельные парциальные снижения суммарных затрат, руб./кварт. в год, при установке единичной мощности КУ в различных узлах. Далее малую мощность КУ (порцию КУ) распределяют между узлами пропорционально значениям производных. Очевидно, что при таком распределении большая часть порции КУ попадет в узлы с большими значениями производных, так как снижение реактивной мощности в этих узлах наиболее сильно снижает суммарные затраты. При новых значениях реактивной мощности в узлах вновь определяют частные производные, которые будут иметь меньшие значения, чем на предыдущем шаге. Следующую порцию суммарной мощности КУ распределяют между узлами пропорционально новым значениям производных и т.д. На каждом шаге оптимизации рассчитывают установившийся режим сети и проверяют соблюдение условия по допустимым уровням напряжения в узлах. При изменившихся через несколько итераций реактивных нагрузках узлов некоторые производные могут стать отрицательными, что говорит о завышенной мощности КУ, определенной для этих узлов на предыдущих итерациях. При распределении новой порции КУ в эти узлы будет добавляться отрицательная порция мощности КУ и мощность КУ в них снизится, а в узлах с положительными значениями производных продолжит увеличиваться. Расчет заканчивается, когда производные в узлах с накопившейся мощностью КУ становятся близкими к нулю, что говорит о том, что дальнейшее увеличение или уменьшение мощности КУ приведет только к увеличению суммарных затрат.

Градиентные методы расчетов имеют следующие недостатки: большую трудоемкость расчетов; не обеспечивают необходимый результат, поскольку не всегда проверяются условия по допустимым уровням напряжения в узлах, имеют большую зависимость от измеренных и полученных данных о структуре сети. Большое число линий 0,4 кВ, трудоемкость введения в программы информации об их схемах, отсутствие достоверных данных о нагрузках затрудняют проведение такого расчета для всех линий, находящихся на балансе подразделения.

Техническим результатом предложенного решения являются обеспечение напряжения у потребителей на допустимом уровне, компенсация реактивной мощности непосредственно у ее потребителя и упрощение расчетов мест размещения конденсаторных устройств.

Для достижения технического результата размещать конденсаторные устройства в сельских распределительных сетях 0,4 кВ необходимо на магистральной линии и на отпайках в узлах, где не выполняется условие по допустимым уровням напряжения, определенных согласно выражению, содержащему обобщенные данные о схемах линий: коэффициент заполнения графика нагрузки, коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузок по длине линии и неодинаковость нагрузок фаз; измеренных данных: отпуск электроэнергии, доля энергии, потребляемой непосредственно с шин, суммарная длина двухфазных и трехфазных ответвлений, длина однофазных ответвлений, доля распределенных нагрузок (бытовых абонентов) в отпуске электроэнергии в линию, коэффициент реактивной мощности, сопротивления нулевого и фазного проводов, фазные токи, измеренные на шинах ТП, сечение провода.

Конденсаторные устройства предлагается размещать в распределительных сетях 0,4 кВ с целью обеспечения допустимого уровня напряжения у бытовых потребителей и уменьшения потерь электроэнергии у ее поставщика. Предлагаемый способ размещения конденсаторных устройств основан на обобщенных данных о схемах линий и известных данных исследуемой сети [Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].

Потери электроэнергии в линии 0,4 кВ можно определить по формуле:

где ΔU% - потери напряжения на всей линии, k_э/_н - коэффициент, характеризующий соотношение относительных потерь электроэнергии и относительных потерь напряжения; k_нн - коэффициент, учитывающий влияние на потери неодинаковости нагрузок фаз [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 c.].

d_p - доля распределенных нагрузок (бытовых абонентов) в отпуске электроэнергии в линию, x₀, r₀ - реактивное и активное сопротивление провода линии, k_З - коэффициент заполнения графика нагрузки.

где R_N, R_Φ - сопротивления нулевого и фазного проводов, I_A, I_B, I_C - фазные токи, измеренные на шинах ТП (трансформаторной подстанции).

Таким образом, согласно выражению (1) если известны: W - отпуск электроэнергии за Д дней, доля энергии, потребляемой непосредственно с шин («беспотерьное потребление») - d_n, суммарная длина линии L, то можно определить предполагаемые потери напряжения в рассматриваемой линии следующим образом:

где длина линии определяется по формуле [см. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов / Ю.С. Железко. - М.: ЭНАС, 2009. - 456 с.]:

здесь L_М - длина магистрали, L_2-3 - суммарная длина двухфазных и трехфазных ответвлений, L₁ - длина однофазных ответвлений.

Согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) суммарные потери напряжения в линии 0,4 кВ не должны превышать некоторого значения, обозначим это значение ΔU%, тогда выражение (4) можно ограничить снизу:

Из неравенства (6) и выражения (5) следует:

Учитывая выражение (5), получим окончательное выражение:

Таким образом, из неравенства (8) можно получить предполагаемое значение длины магистрального провода, на которой падение напряжения будет не соответствовать предельно допустимым значениям.

После расчетов по формуле (8) необходимо замерить суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) в узле магистрали, соответствующему полученному значению L_М, относительно ТП. Если в данном узле магистрали суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности не удовлетворяют предельно допустимым значениям, то в данном узле необходимо установить конденсаторную установку. После установки КУ и в случае, если действительные суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности в предполагаемом узле магистральной линии удовлетворяют предельно допустимым значениям, а потери напряжения и коэффициент реактивной мощности у бытовых потребителей не отвечает предельно допустимым значениям, место установки конденсаторной установки определяется согласно выражению:

где L_2-3 - определяемая с помощью (9) величина, L_М - фактическое значение длины магистрали. После расчетов по формуле (9) необходимо замерить суммарные потери напряжения ΔU% относительно ТП и коэффициент реактивной мощности согласно ГОСТ (Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения) в узле, соответствующем полученному значению длины двухфазных и трехфазных ответвлений L_2-3 от магистрали. Если измеренные значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности не удовлетворяют предельно допустимым значениям, то в данном узле устанавливается КУ. Иначе, и если после установки КУ значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности не отвечают предельно допустимым значениям у бытовых потребителей в линии, КУ устанавливается в самой удаленной от ТП отпайке от магистральной линии.

При размещении конденсаторных устройств предложенным способом повысится качество электрической энергии у бытовых потребителей; уменьшится загрузка элементов, снизятся нагрузочные (продольные) потери активной мощности и потери напряжения в элементах в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки; уменьшатся потери электроэнергии в сети.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - обеспечение напряжения у потребителей на допустимом уровне, компенсация реактивной мощности непосредственно у ее потребителя и упрощение расчетов мест размещения конденсаторных устройств. Способ включает определение значений длин магистральной линии, двухфазных и трехфазных ответвлений от магистрали; измерение в узлах, соответствующих полученным значениям, напряжения и коэффициента мощности, при этом значение длины магистральной линии L_M определяют согласно определенной формуле. Далее в узле, соответствующем полученному значению L_M, замеряют суммарные потери напряжения относительно трансформаторной подстанции (ТП) и коэффициент реактивной мощности, если они не удовлетворяют предельно допустимым значениям, в узле устанавливают конденсаторную установку (КУ); а если действительные суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности в данном узле удовлетворяют предельно допустимым значениям, а потери напряжения и коэффициент реактивной мощности у бытовых потребителей не отвечают предельно допустимым значениям, определяют значение длины двухфазных и трехфазных ответвлений от магистрали L_2-3. Далее замеряют суммарные потери напряжения относительно ТП и коэффициент реактивной мощности в узле, соответствующем полученному значению, если измеренные значения не удовлетворяют предельно допустимым, в данном узле устанавливается КУ; далее замеряют значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности у бытовых потребителей в линии, если измеренные значения не отвечают предельно допустимым, КУ устанавливают в самой удаленной от ТП отпайке от магистральной линии. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ размещения конденсаторных устройств в сельских распределительных сетях 0,4 кВ, включающий определение значений длин магистральной линии, двухфазных и трехфазных ответвлений от магистрали; измерение в узлах, соответствующих полученным значениям, напряжения и коэффициента мощности, отличающийся тем, что значение длины магистральной линии определяют согласно выражению:

где L_2-3 - суммарная длина двухфазных и трехфазных ответвлений, L₁ - длина однофазных ответвлений, tgφ - коэффициент реактивной мощности, W - отпуск электроэнергии за Д дней, d_n - доля энергии, потребляемой непосредственно с шин, d_p - доля распределенных нагрузок (бытовых абонентов), k_нн - коэффициент, учитывающий влияние на потери неодинаковости нагрузок фаз, k_з - коэффициент заполнения графика нагрузки, k_0,4 - коэффициент, учитывающий характер распределения нагрузок по длине линии и неодинаковость нагрузок фаз, F - сечение провода магистрали, ΔU% - предельное значение допустимых суммарных потерь напряжения в линии 0,4 кВ; далее в данном узле, соответствующем полученному значению L_M, замеряют суммарные потери напряжения относительно трансформаторной подстанции (ТП) и коэффициент реактивной мощности, если они не удовлетворяют предельно допустимым значениям, в узле устанавливают конденсаторную установку (КУ); далее, и в случае, если действительные суммарные потери напряжения и коэффициент реактивной мощности в данном узле удовлетворяют предельно допустимым значениям, а потери напряжения и коэффициент реактивной мощности у бытовых потребителей не отвечают предельно допустимым значениям, определяют значение длины двухфазных и трехфазных ответвлений от магистрали согласно выражению:

где L_M - фактическое значение длины магистрали; далее замеряют суммарные потери напряжения относительно ТП и коэффициент реактивной мощности в узле, соответствующем полученному значению L_2-3, если измеренные значения не удовлетворяют предельно допустимым, в данном узле устанавливается КУ; далее замеряют значения уровня напряжения и коэффициента реактивной мощности у бытовых потребителей в линии, если измеренные значения не отвечают предельно допустимым, КУ устанавливают в самой удаленной от ТП отпайке от магистральной линии.