Экономико-статистический анализ потерь при передаче электроэнергии по высоковольтным проводам в России

Снижение потерь электроэнергии входит в число основных целей, указанных в стратегии развития электросетевого комплекса России [1]. В среднем по стране к 2017 году объем потерь должен снизиться на 11 % относительно уровня 2012 года [2]. Годовые потери электроэнергии на корону в электрических сетях РФ составляют более 4 млрд кВт*ч и если эту величину умножить на стоимость одного кВт*ч, то получится весьма внушительная сумма [3]. Развитие экономики страны сопровождается ростом потребляемой электроэнергии, даже на фоне масштабных мер по энергосбережению и энергоэффективности [4, 5], поэтому просто необходимо бороться со столь значительными потерями на корону.

Динамика потерь электроэнергии в электрических сетях страны за 1994–2013 гг. представлена в табл. 1. В таблице приведены показатели электробаланса энергии, отпуск электроэнергии в сеть, потери электроэнергии и относительные потери электроэнергии.

Для наглядности покажем относительные потери электроэнергии в виде графика (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что средние относительные потери электроэнергии составляют 11 %, увеличение потерь наблюдалось в период 1997–2006 гг., затем потери пошли на спад.

Рассчитаем средний темп роста потерь электроэнергии от отпуска в сеть за 2007–2013 гг.:

• X- = ^X₁*X₂*X_N,

где X₁ * X₂ * X_N - коэффициенты роста с переменной базой [8–10].

• x- — Z11^3 * 11,79 * 11,81 * 11,53 * 11,46 * 11,77 —

Aj 11,18  11,43   11,79  11,81  11,53   11,46

1,026 %.

Основная часть

В основном, потери на корону зависят от уровня рабочего напряжения сети, сечения проводов и конструкции фазы, но главным образом от вида погоды [11].

Потери на корону при тумане и изморози возрастают в десятки раз по сравнению с потерями при хорошей погоде. Именно поэтому одной из самых главных задач электроснабжения является создание таких условий, при которых передача электрической энергии по линиям электропередач будет экономичной, эффективной и надёжной [12].

Таблица 1

Динамика потерь электроэнергии в электрических сетях Российской Федерации за 1994–2013 гг. [6, 7]

Показатели электробаланса энергии		Производство электроэнергии	Отпуск электроэнергии в сеть	Потери электроэнергии абсолютные	Потери электроэнергии относительные
					от отпуска в сеть	от производства
ед. измерения		млрд кВт*ч	млрд кВт*ч	млрд кВт*ч	%	%
Численные значения показателей по годам	1994	875,9	794,7	79	9,94	9,02
	1995	860	781,8	83,5	10,68	9,71
	1996	847,2	766,8	84,2	10,98	9,94
	1997	833,9	753,6	84,4	11,2	10,12
	1998	826,1	750,3	93,3	12,44	11,28
	1999	845,5	772,9	96,8	12,52	11,44
	2000	876	803,5	101,6	12,64	11,59
	2001	891,3	816,9	105,51	12,91	11,84
	2002	891,3	819,9	107,5	13,11	12,06
	2003	916,3	812,7	110,5	13,11	12,06
	2004	931,9	864,9	112,6	13,02	12,08
	2005	953,1	875,7	112,6	12,86	11,81
	2006	995,8	911,5	107,6	11,8	10,81
	2007	1015,33	937,46	104,86	11,18	10,33
	2008	1018,0	955,35	109,24	11,43	10,50
	2009	1040	965	113,9	11,79	10,95
	2010	1037	963	113,76	11,81	10,96
	2011	1053	980	113,01	11,53	10,73
	2012	1064	990	113,48	11,46	10,66
	2013	1045	975	114,8	11,77	10,98

Рис. 1. Относительные потери электроэнергии в России, % [6]

Наиболее остро проблема потерь стоит в сетях 220 кВ и выше, что при их малой загруженности в настоящее время связано не столько с потерями в проводах от токов нагрузки, сколько с потерями на корону [14].

В среднем в год потери мощности и энергии на коронный разряд ВЛ напряжением 330 кВ и напряжением 500 кВ составляют 12 %, а ВЛ напряжением 750 кВ – около 14 % от суммарных потерь [5, 15].

Так как в действительности средние нагрузки ВЛ раза в два меньше натуральной мощности, то потери на корону ВЛ напряжением 330 кВ и напряжением 500 кВ составят 35 %, а ВЛ напряжением 750 кВ около 39 % от суммарных потерь (рис. 2, 3).

Для ЛЭП характерна потеря активной мощности на нагрев проводов при протекании тока по ним в связи с наличием сопротивления проводов

ЛЭП. Чем больше ток или сопротивление ЛЭП, тем больше потери мощности и напряжения [17, 18].

При передаче электроэнергии на дальние расстояния напряжение многократно повышают с помощью трансформаторов, для того чтобы уменьшить силу тока, из-за того, что потери электроэнергии в проводах зависят от силы тока. Эти мероприятия позволяют значительно снизить потери, однако с ростом напряжения начинают происходить различные разрядные явления.

В ВЛЭП сверхвысокого напряжения присутствуют потери активной мощности на корону (коронный разряд).

Одной из составляющих потерь в линиях электропередачи сверхвысокого напряжения 750, 500, 330 и 220 кВ являются потери на коронный разряд.

Рис. 2. Потери электроэнергии в сетях с различными уровнями напряжения в стране [13]

Рис. 3. Среднестатистические составляющие структуры технических потерь электроэнергии в электрических сетях страны [16]

Коронный разряд на проводах ВЛ приводит к потерям электроэнергии, вызывает значительный слышимый шум, радиопомехи, свечение, продуцирование озона и повреждения изоляции линий электропередачи.

К типовым мероприятиям по снижению потерь на корону относятся:

• 1)    увеличение диаметра провода, расщепление провода;

• 2)    регулирование напряжения и др.

К инновационным способам снижения потерь на корону можно отнести:

• 1)    изменение поверхности провода;

• 2)    изменение сплава провода и его структуры;

• 3)    нанесение специальных покрытий на внешнюю поверхность провода и пр.

Учитывая, что замена проводов на большее сечение или изменение конструкции фазы связаны фактически с полной реконструкцией ВЛЭП, в настоящий момент могут быть выделены два основных направления работы с обоснованными затратами:

• 1)    совершенствование систем регулирования напряжения на подстанциях и электростанциях;

• 2)    замена проводов на провода аналогичного сечения со сниженными потерями или доработка проводов для снижения потерь.

Максимальные потери на корону характеры для повышенных напряжений на ВЛЭП при слабой их загрузке, а также при плохой погоде. В условиях слабой загрузки ВЛ, когда напряжение в линии превосходит номинальное на 5 % и выше, регулированием напряжения можно понизить потери электроэнергии в сети более чем на 30 %. Потери мощности на корону в хорошую погоду невелики. Поэтому напряжение, с целью снижения потерь на корону, целесообразно регулировать в плохую погоду, когда потери на корону возрастают на 1–2 порядка, а продолжительность этих потерь составляет 1–2 тысячи часов и более.

Покажем графически как меняются потери на коронный разряд при напряжении 750 кВ в различную погоду (рис. 4).

Рассмотрим диаграмму, выражающую зависимость потерь энергии на корону от видов погоды (рис. 5).

Из диаграммы видно, что максимальные потери наблюдаются при изморози при напряжении в 750 кВ.

Планирование режимов с учетом потерь на корону сталкивается со значительными трудностями ввиду того, что погода носит вероятностный характер, а также сильно сказываются условия прохождения каждой линии. Чтобы осуществлять оперативное управление напряжением в сети, необходимо иметь текущие и прогнозное значения потерь в проводах и на корону, кроме того, необходимо учитывать условия нагрева и охлаждения проводов ВЛ. Так, при безветренной погоде на солнце температура провода может увеличиться более чем на 20 °С по отношению к температуре воздуха. Поэтому планирование режимов с учетом потерь на корону в настоящее время только прорабатывается.

Регулирование напряжения на ВЛ 500 кВ при плохой погоде со среднеэксплуатационным напряжением 515 кВ, при его снижении до 500 кВ, позволяет снизить потери на корону на 10–15 % или ещё более. Также экспериментальным путём установлено, что на разных ВЛ 500 кВ длиной более 100 км экономия электроэнергии от регулирования напряжения может составить более 5 млн кВтч в год, что весьма существенно с экономической точки зрения и перспективно.

Для снижения напряжения могут быть использованы средства реактивной мощности, к которым относятся шунтирующие реакторы, синхронные компенсаторы и статические тиристоры компенсаторы [11, 12].

Регулирование напряжения на электростанциях, с целью снижения потерь, в том числе на корону, является крайне перспективным и востребованным мероприятием для снижения потерь.

В моменты плохой погоды (высокая влажность, изморозь, гололёд, осадки), которая составляет от 10 до 20 % от всего времени в году, расходуется более 80 % всех потерь на корону (табл. 2). Одним из перспективных решений для борьбы с коронным разрядом является получение и нанесение защитных покрытий, на поверхности которых не образуются капли при дожде и изморозь. В таком случае потери на корону могут быть снижены на величину порядка 50 % или 15–20 % от всех потерь в ЛЭП.

Эффект короны существенно различно проявляется при различных осадках. При этом потери мощности на корону в зависимости от вида погоды также связаны как с изменением радиуса кривизны провода, так и с напряженностью поля и условий её образования (влажность, давление, температура). Наиболее низкие потери наблюдаются при сухой погоде на чистом проводе, тогда как при наличии отложений на проводе интенсивность коронного разряда резко увеличивается. Так, при дожде и изморози потери на корону могут увеличиться в 10–20 раз.

Очевидной становится идея уменьшить потери мощности при передаче электроэнергии за счет механизма уменьшения потерь на корону до уровня потерь при хорошей погоде, а именно исключение возможности образования на поверхности провода капель воды и изморози.

В результате проводимых исследований было установлено, что задачу по устранению или заметному снижению капель с поверхности можно решить двумя путями: придание поверхности супергидрофобных (невозможность образования капель ввиду эффекта поверхностного натяжения) или

Рис. 4. График потерь мощности на корону в линии электропередачи напряжением 750 кВ при различной погоде [19].

Таблица 2

Средние по России удельные потери мощности и энергии на корону ВЛ [15, 19, 20]

Вид погоды	Продолжительность, ч	Потери мощности ВЛ, Вт/м				Потери энергии ВЛ, Вт*ч/м
		220	330	500	750	220	330	500	750
Хорошая	5159	0,3	1,5	2,4	5,7	1548	7738	12382	29406
Повышенная влажность	746	1,7	5,4	8,4	19	1268	4028	6266	14174
Снег	807	2,3	6,6	12,4	25	1856	5326	10007	20175
Туман	190	3,2	10	16,4	34	608	1900	3116	6460
Дождь	395	6	16	30	67	2370	7616	14280	31892
Изморозь	1381	13	36	59,2	116	17953	49716	81755	160196
Среднегодовые потери, Вт*ч/м						25603	76324	127806	262303

Рис. 5. График зависимости потерь энергии на корону от видов погоды при различном высоком напряжении [15]

супер-гидрофильных свойств (равномерное смачивание вдоль всего провода тонкой пленкой).

В заключение можно отметить, что внедрение технических, технологических и организационных решений, связанных со снижением потерь электроэнергии в электрических сетях, способно решить множество проблем, как экономического, так и государственного масштаба, обеспечить энергоэффективность всей системы энергоснабжения Российской Федерации.