THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE ELECTRICITY GRID

Стенин В. А.

Доктор технических наук, Северный Арктический федеральный университет

ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ  ЭФФЕКТИВНОСТИ СЕТИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация

Для оценки эффективности сети электроснабжения предлагается использовать термодинамический критерий – коэффициент полезного действия (КПД). Аналитически величина КПД позволяет рассмотреть количественную и качественную сторону энергосберегающих мероприятий в процессах передачи и преобразования электроэнергии.

Ключевые слова: коэффициент полезного действия, передача и преобразование электроэнергии, энергосбережение.

Stenin V. A.

Doctor of technical sciences, North Arctic Federal University

THERMODYNAMIC ANALYSIS OF THE EFFICIENCY OF THE ELECTRICITY GRID

Abstract

To evaluate the efficiency of the electricity network are encouraged to use the thermodynamic criterion-coefficient of performance. The analytic value coefficient of performance allows to consider the quantitative and qualitative aspect of energy-saving measures in power transmission and transformation processes.

Keywords: efficiency, energy conversion, transmission and energy saving.

Потери электроэнергии - один из важнейших экономических показателей электросетевого предприятия. Их величина отражает техническое состояние и уровень эксплуатации всех передаточных устройств, эффективность энергосбытовой деятельности. В международной практике принято считать, что относительные общие потери электроэнергии при ее  передаче и  распределении удовлетворительны, если они не превышают 4-5%. Потери электроэнергии на уровне 10% оценивают как максимально допустимые с точки зрения физики передачи по сетям.

В соответствии  со  стандартом [1] в качестве показателя эффективности передачи энергии для сети электроснабжения рекомендуется допустимый процент потерь энергии в сети. Однако  для  термодинамического  анализа  процесса  передачи  энергии  в  электрической  сети  целесообразно  использовать  величину коэффициента полезного действия (КПД), характеризующую совершенство процессов превращения, преобразования или передачи энергии.

Составим  уравнение  первого  начала  термодинамики для  процесса  передачи  энергии  в электрической  сети с использованием характеристических функций [2]:

   (1)

где  - энергия, потребляемая от источника, Дж;  -  энергия, отдаваемая  в  нагрузку, Дж;   - работа, затраченная электрической сетью на  передачу энергии, Дж.

Преобразуем  уравнение (1) следующим  образом:

   (2)

где  - КПД электрической сети.

КПД  определяется величиной  КПД  каждого  элемента электрической сети:

где - соответственно коэффициенты  полезного  действия повышающего трансформатора, линии электропередачи, понижающего трансформатора.

Статистические  данные  говорят о том, что более 40 % общих потерь в энергосистемах (исключая потребителей) приходится на распределительные трансформаторы. Остальное приходится на кабели и ЛЭП.

К энергетическим показателям трансформатора относятся КПД и коэффициент мощности [3]:

   (4)

где P₁ - активная мощность, потребляемая из сети; P₂ - мощность, отдаваемая в нагрузку;  - коэффициент мощности; β - коэффициент  загрузки трансформатора; P_K - мощность потерь короткого замыкания; P_X - мощность потерь холостого хода; S_2H - номинальная мощность трансформатора.

Представим  уравнение (4) в  форме (2):

   (5)

где t - время работы  трансформатора при  переменных  коэффициентах  загрузки  и  мощности.

Потери активной мощности в ЛЭП делятся на потери холостого хода  (потери на корону) и нагрузочные потери (на нагрев проводов)  :

  (6)

где S - полная  мощность; R_Л - активное сопротивление  линии электропередачи;  - потери активной мощности; U- напряжение ЛЭП.

В линиях потери реактивной мощности  тратятся на создание магнитного потока внутри и вокруг провода:

   (7)

где  - реактивное сопротивление  линии электропередачи.

Пренебрегая  величиной  ввиду  ее  малости, объединим  уравнения (6) и (7) и представим  их  в  форме  КПД:

   (8)

Таким образом, передача электрической энергии от источников питания к потребителям связана с потерей части мощности и энергии в системе электроснабжения (трансформаторах, линиях, реакторах). Эти потери определяются током, протекающим по линии, и величиной передаваемого напряжения. Применение повышенного напряжения в электрических сетях, например 10 кВ (вместо 6 кВ), а также глубокого ввода напряжения 35 кВ и выше значительно снижает потери мощности и электроэнергии. Этому также способствует повышение коэффициента мощности. Следует подчеркнуть, что потери в трансформаторах определяются также числом часов их работы, поэтому одним из условий, обеспечивающих экономию электроэнергии в трансформаторах, является отключение их при малых загрузках.

Литература

1. ГОСТ Р51541-99. Энергосбережение. Энергетическая эффективность. Состав и классификация показателей. М.: Госстандарт России,1999.8с.
2. Исаев С.И. Термодинамика. М.:МГТУ, 2000. 416с.
3. Барыбин Ю.Г. Справочник по проектированию электроснабжения. М.:Энергоатомиздат,1990. 625с.

References

1. GOST R51541-99. Jenergosberezhenie. Jenergeticheskaja jeffektivnost'. Sostav i klassifikacija pokazatelej. M.: Gosstandart Rossii,1999.8s.
2. Isaev S.I. Termodinamika. M.:MGTU, 2000. 416s.
3. Barybin Ju.G. Spravochnik po proektirovaniju jelektrosnabzhenija. M.:Jenergoatomizdat,1990. 625s.