Ограничаване на загубите в електроснабдителни мрежи

Нарастващият брой на населението и индустриализацията на държавите създават необходимост от големи количества електрическа енергия. Фактът, че електроенергията рядко се използва на същото място, на което се произвежда, обуславя нуждата от преносни линии и разпределителни системи, които обаче са свързани със загуби. Това означава, че наред с нарастващото търсене идва и необходимостта от ограничаване на загубите с цел намаляване на консумацията на ресурси и същевременно осигуряване на повече енергия за потребителите.

В страните от ЕС годишните загуби от електроразпределение са средно между 2 и 12%. Технологичният напредък в областта предлага няколко обещаващи решения, които могат да допринесат за пълното подобряване на процеса.

Внедряването на интелигентно измерване и инсталирането на сензори например правят достъпни големи обеми оперативни данни, а изкуственият интелект и информационните технологии позволяват управлението им за оценяване и откриване на загубите.

Загубите в разпределителните мрежи могат да бъдат дефинирани като разликата между постъпващата във и излизащата от системата електрическа енергия в рамките на определен период от време. Те обикновено се класифицират в две категории – технически и нетехнически загуби. Техническите се наричат още физически, тъй като се отнасят до енергията, трансформирана в топлина и шум по време на разпределението.

Това разсейване на енергия се отразява на разходите на клиентите и допринася за увеличаването на въглеродните емисии. Техническите загуби възникват като пряк резултат от физическите характеристики на използваното електрическо оборудване. Те зависят от дизайна на мрежата, нивата на напрежение и преобразуване и дължината на електропроводните линии.

Видове технически загуби

Техническите загуби могат да бъдат допълнително разделени на променливи, постоянни и такива, свързани с мрежови услуги. Всички проводници, независимо дали са намотки в трансформатори, алуминиеви или медни проводници във въздушни линии или кабели, и дори в разпределителни уредби, предпазители или измервателно оборудване, имат вътрешно електрическо съпротивление, което води до нагряването им при преноса на електричество.

Тъй като загубите на енергия, произтичащи от разсейването на топлината в околната среда, се променят с тока, протичащ през проводниците в електрическите мрежи, тези загуби се класифицират като променливи. Те зависят и от дължината и напречното сечение на проводника, тъй като варират пропорционално на съпротивлението. Като цяло мерките за намаляване на променливите загуби са насочени или към намаляване на големината на тока в системата, или към понижаване на съпротивлението в преносните линии.

Част от електроенергията се губи при мрежови компоненти и оборудване като например трансформатори или проводници, в резултат на свързването им към мрежата и тяхното включване под напрежение. Дори и да не се доставя енергия на клиентите, в системата има загуби, само защото е електрически заредена. Тези загуби са под формата на топлина и шум и се наричат постоянни загуби или загуби без товар, защото не са зависими от това колко електрическа енергия се доставя по мрежата.

Освен ниската ефективност на трансформаторите, друг източник на постоянни загуби е електрическата изолация в мрежовото оборудване.
Постоянните загуби не се променят с тока, но зависят от приложеното напрежение. Въпреки това, докато мрежовото оборудване е под напрежение и приложеното напрежение е относително стабилно, те са по същество постоянни. Следователно, постоянните загуби са функция на самата мрежа и зависят главно от броя на захранваните компоненти. В тази връзка мерките за намаляването им имат за цел главно да се намали броят на заредените компоненти или да се повиши тяхната ефективност.

Освен от оборудването, отговорно за постоянните и променливите загуби, енергия се консумира и от контролно-измервателната техника, монтирана по електрическите линии или измервателните уреди (механични или електронни), инсталирани при клиентите. Тези загуби от мрежови услуги имат както постоянен (например при непрекъсната работа), така и променлив компонент (в зависимост от комуникационните устройства според честотата и обема на данните).

Намаляване на техническите загуби

Съществуват редица методи за изчисляване на техническите загуби в системата. Те включват използване на резултатите от изпитването на производителя, за да се определят загубите от трансформатори и прилагане на прогнозни физически модели и методики за установяване на загубите в цялата система въз основа на измерените в част от нея.

Потенциални методи за ограничаване на загубите са подмяната на старо оборудване, правилното оразмеряване на трансформатори, фазовото балансиране, управлението на консумацията, използването на кондензатори за увеличаване на реактивния товар и оптимизиране на напрежението.
В райони с висока степен на използване на мрежата инсталирането на кабели с по-висока номинална мощност може значително да намали загубите.

При подмяна на захранващите кабели е необходим внимателен анализ на очакваното натоварване, за да се определи кой кабел би бил най-ефективен. Аналогично, осъвременяването на разпределителното трансформаторно оборудване може да доведе до значително намаляване на разходите. За да се определи кога е целесъобразно да се подмени дадено оборудване, може да се използва програма за прогнозна поддръжка.
Трансформаторите работят най-ефективно, когато са на 80-100% от максималния си капацитет.

Недостатъчно натоварените трансформатори са неефективни поради загуби в ядрото. Ако някои трансформатори често са недостатъчно натоварени, е възможно част от тях да бъдат изключени или да бъдат инсталирани по-малки трансформатори, съответстващи на товара. В случай че трансформаторите често са претоварени, може да е по-безопасно и по-ефективно да се инсталират по-големи трансформатори или да се ребалансира товарът така, че трансформаторите да работят под капацитета си.

Отново е необходим внимателен анализ, за да се определи кога от финансова гледна точка има смисъл да се премине към по-голям или към по-малък трансформатор или кога даден трансформатор направо да се изключи.

Тъй като резистивните загуби са нелинейна функция на тока, балансирането на тока, подаден през всяка фазова линия, може да намали общите загуби, дори ако потреблението на клиента не се промени. Може да се използва анализ на клиентските товари и геометрията на веригата, за да се определи най-добрият начин да се балансират натоварванията на всяка фаза.

Отчитането на натоварването на системата и балансът на фазите може да гарантира, че мрежата ще продължи да работи с максимална ефективност, когато се планира нова инфраструктура, например зарядни станции за електромобили.
Предлагането на компенсации срещу редуциране на консумацията на енергия по време на пикови периоди и насърчаването на употреба на по-ефективни уреди могат да спомогнат за намаляване на потреблението от страна на клиентите. Тъй като загубите са нелинейна функция на тока, дори и скромното понижаване на енергоконсумацията в пиковите периоди може да има значителен ефект върху големината на общите загуби.

Двата компонента на привидното натоварване на системата са действителният товар и реактивното натоварване, което е необходимо, за да се намагнетизира обект като трансформаторно ядро. Чрез инсталиране или регулиране на кондензаторни банки процентът на реактивното натоварване на системата може да се намали, което ще доведе до редуциране и на загубите на реална мощност. Посредством внимателно коригиране на нивата на напрежението в мрежата е възможно да се намали токът в части от системата, което от своя страна ще понижи общите резистивни загуби.

Идентифицирането на причините за загубите в мрежата и определянето на най-добрия метод за ограничаването им може да бъде предизвикателство, но последните постижения в инфраструктурата от интелигентни измервателни уреди и машинното самообучение могат да улеснят процедурата значително. За по-доброто разбиране на загубите, техните източници и развитието им във времето може да помогне технологията за интелигентните мрежи, която предоставя по-подробни данни по отношение на времево и пространствено разпределение. След като се изготви детайлна карта на загубите в системата, много по-лесно може да се разработи разходно-ефективен метод за ограничаването им.