Алгебраическая разность напряжений в начале и конце линии по величине (модулю) называется потерей напряжения. Для пояснения потери напряжения на векторной диаграмме (рис. 2.18.1, в) совместим поворотом относительно точки О вектор напряжения U 1ф с напряжением U2ф. Он примет положение ОК. Разность величин отрезков ОК и ОА и есть потеря напряжения. Заметим, что при Uф = 0 потеря напряжения фактически равна продольной составляющей падения напряжения.
Из диаграммы (рис. 2.18.1, в) видно, что между векторами U1ф и I1, образовался угол . Напряжение U2ф в конце линии меньше, чем напряжение U1ф в начале. При этом разность векторов напряжений U 1ф - U2ф равна вектору IлZ, который называется падением напряжения. Падение напряжения - геометрическая разность векторов напряжений в начале и конце линии электропередачи.
На рис. 2.18.1, г подробнее дан фрагмент векторной диаграммы токов. Ток нагрузки I2, который, как отмечалось, имеет активно-индуктивный характер,
разложен на активную I2а и реактивную I2р составляющие. Аналогично в виде двух составляющих (Iла и Iлр) представлен ток в линии Iл. Как видно из диаграммы, ток Ig2, обусловленный активной проводимостью линии, увеличивает активную составляющую тока нагрузки I2а, а емкостный ток Ib2, вызванный реактивной проводимостью линии, уменьшает реактивную составляющую тока нагрузки I2р.
Аналогично построены векторные диаграммы (рис. 2.18.2, б и2.182.18.3, б) для линий электропередачи, схемы замещения которых соответственно приведены на рис. 2.18.3, а и 2.18.4, а. На рис. 2.18.3 в схеме замещения отсутствует активная проводимость, что в большей степени соответствует воздушным линиям напряжением 110 и 220 кВ. Схема замещения в соответствии с рис. 2.18.3 применяется для линий распределительных сетей напряжением 35 кВ и ниже.
Рис. 2.18.2. Схема замещения линии электропередачи Uном = 110 – 220 кВ (а) и её векторная диаграмма (б)
Рис. 2.18.3. Схема замещения линии электропередачи Uном 35 кВ (а) и её векторная диаграмма (б)
Определенный интерес представляет векторная диаграмма напряжений и токов линии, схема замещения которой включает емкостную проводимость (рис. 2.18.2, a), при отсутствии нагрузки в конце линии I2 = 0. В этом случае по сопротивлениям линии R и X в направлении от конца к началу протекает емкостный ток Ib2, опережающий напряжение U2 на 90° (рис. 2.18.4). По закону Ома
U1Ф = U2ф - Ib2(R + jX) = U2ф - Ib2R - Ib2 jX.
Рис. 2.18.4. Векторная диаграмма линии электропередачи Uном 110 кВ для режима холостого хода
В соответствии с этим выражением на рис. 2.18.4 построен вектор напряжения U 1ф. Как видно, в режиме холостого хода напряжение в конце линии U 2ф больше, чем в начале U 1ф, а при отсутствии тока нагрузки I2 = 0 в начале линии протекает ток I1,имеющий емкостный характер.
2.18.2. Потери мощности.
Потери активной мощности в линиях обусловлены активными сопротивлениями проводов и кабелей, а также потерями на корону в воздушных линиях и на токи утечки через изоляцию в кабельных линиях высоких напряжений.
В трехфазной линии, где нагрузка задана в виде полного тока I или его активной Iа и реактивной Iр составляющих, потери активной мощности, расходуемые в активном сопротивлении Rл линии на нагрев проводников, определяют по формулам
P = 3I2Rл =3(Iа2 + Iр2)Rл. (2.18.1)
Если нагрузка задана в виде полной S, активной Р и реактивной Q мощностей, то те же потери можно найти по выражениям
P = Rл = Rл = Rл. (2.18.2)
Как видно, величина потерь зависит от передаваемой мощности и уровня напряжения. Повышение уровня напряжения позволяет снизить потери активной мощности в сопротивлении линии. Однако следует отметить, что при этом в
сетях, непосредственно питающих электроприемники, в соответствии со статическими характеристиками нагрузки по напряжению может увеличиться мощность потребителей и, следовательно, передаваемая по линии мощность.
Мощность, передаваемая по линии, включает активную и реактивную составляющие. Если единственным источником активной мощности являются генераторы электрических станций, то реактивная мощность вырабатывается различными устройствами. Причем некоторые из них (компенсирующие устройства) могут устанавливаться вблизи потребителей реактивной мощности. Рассмотрим линию (рис. 2.18.1), по которой передается мощность S = Р + jQ . Потери активной мощности в ней
P = Rл.
Рассмотрим линию (рис. 2.18.5), по которой передается мощность S = Р + jQ . Потери активной мощности в ней
Установим в конце линии, например, батарею конденсаторов мощностью QK. При этом передаваемая по линии реактивная мощность снизится до величины Q-QK,a значит, уменьшатся и потери активной мощности
Рис. 2.18.5. Линия электропередачи с компенсирующим устройством
P = Rл.
Снижение потерь активной мощности составит
P = Rл.
Количественной характеристикой эффективности снижения потерь мощности от компенсации реактивной мощности служит экономический эквивалент реактивной мощности
= Rл. (2.18.4)
Он показывает, на сколько снижаются потери активной мощности при включении в узле нагрузки компенсирующего устройства величиной QК.
В воздушных линиях высокого напряжения имеют место потери активной мощности на корону, которые в линиях напряжением 330 кВ и выше определяются по выражению (2.18.5):
Как отмечалось, величина удельных потерь на корону РУК во многом зависит от погодных условий и напряжения.
Зависимость усредненных потерь мощности на корону от напряжения имеет вид
РУК = (2.18.5)
где U – напряжение, В.
Таким образом, при повышении уровня напряжения потери активной мощности на корону увеличиваются, но одновременно уменьшаются потери активной мощности в сопротивлении линии.
Для кабелей высокого напряжения потери активной мощности, вызванные токами утечки через изоляцию, можно рассчитать по их активной проводимости GЛ
(2.18.6)
Наряду с потерями активной мощности, в линиях электропередачи теряется и реактивная мощность. Эти потери обусловлены индуктивными сопротивлениями воздушных и кабельных линий.
Если нагрузка линии задана током, то потери реактивной мощности можно найти по формуле
Для нагрузки, заданной мощностью, потери реактивной мощности в линии равны
(2.18.7)
Наряду с потреблением реактивной мощности, линия, обладая емкостной проводимостью и соответствующей ей зарядной мощностью Qb, является источником реактивной мощности. Зарядная мощность линии, в некоторых случаях снижает реактивную мощность, передаваемую по линии, а значит, и потери активной и реактивной мощностей. Вместе с тем, в режимах наименьших нагрузок, когда имеет место избыток реактивной мощности, зарядная мощность может вызвать увеличение передаваемой по линии реактивной мощности и потерь мощности.
2.18.3. Годовые потери электроэнергии.
Лекция 2.19. Снижение потерь электроэнергии в электрических сетях