Потери электроэнергии в садоводческом товариществе
и средства их снижения
Эта непрофильная для сайта страничка появилась не от любви к искусству и не от того, что нечем заняться. Не так давно на большие потери как напряжения у многих потребителей, так и мощности у садоводческого товарищества мне пожаловалась председатель - женщина с экономическим образованием. Этой проблемой я всерьез не занимался (единственный случай - выбор сечения торсады к собственному дому и распределение нагрузки в доме по фазам), когда дом готовил к электрификации. Поскольку закон Ома и законы Кирхгофа знаю, проблема мне сложной не показалась. Но только на первый взгляд.
Потери электроэнергии в электрических сетях – довольно сложная и малоизученная проблема. Этой проблемой занимаются целые службы борьбы с потерями (мы их называем «потерянными борцами» или «потерянными службами») в разных организациях. И далеко не всегда успешно.
Потери в любом участке электрической сети (высоковольтные сети, садоводческое товарищество или разводка в жилом доме) вызываются двумя факторами:
Технические потери, связанные с законами физики (потери тем больше, чем больше протекающий по проводнику ток и чем больше его сопротивление)
Коммерческие потери (попросту – хищение электроэнергии, иногда в сговоре с инспекторами)
Далее рассмотрим только технические потери и средства их снижения.
В соответствии с законом Ома ток, напряжение и сопротивление связаны отношениями:
или (1)
или (2)
(3)
I – ток, измеренный в амперах (А)
U – напряжение, измеренное в вольтах (В)
R – сопротивление, измеренное в Омах (Ом)
Активная мощность в однофазной цепи, потребляемая потребителем или потери в проводнике определяется из выражений:
(4)
(5)
(6)
Если ток измеряется в амперах, напряжение в вольтах, а сопротивление в омах, мощность измеряется в ваттах (Вт). 1000 ватт равны одному киловатту (кВт). Так как в большинстве случаев мощность измеряется в киловаттах, удобнее напряжение перевести в киловольты, при этом формулы (4) и (6) остаются в силе. 220 В – это 0,22 кВ, 380 В – 0,4 кВ (в прикидочных расчетах эта величина более удобна, чем 0,38 кВ).
Активная мощность – это мощность, которую потребляет чисто нагревательная или осветительная (при условии использования только ламп накаливания) нагрузка. Любая двигательная нагрузка (электронасосы, холодильники, кондиционеры и т.п.) потребляет также и реактивную мощность. Полная мощность – это геометрическая или векторная сумма активной и реактивной мощности, абсолютная величина которой определяется из выражения:
или (7)
(8)
S – полная мощность
Q – реактивная мощность
- коэффициент мощности
Если нагрузка чисто активная, . Среднее значение большинства бытовых потребителей находится в пределах 0,6 – 0,85.
Полная мощность измеряется в вольтамперах (ВА) или киловольтамперах (кВА), реактивная мощность – в вольтамперах реактивных (ВАР) или киловольтамперах реактивных (кВАР).
Современная система учета мощности на всех уровнях построена таким образом, что учитывается только активная мощность, так как выработка реактивной мощности не требует затрат топлива и потребление ее не приносит результата потребителю. Но реактивная мощность при перегоне по электрическим сетям вызывает дополнительные потери, и пренебрегать ей нельзя.
Выше приведены соотношения для мощностей в однофазной сети. В трехфазной общая активная мощность определяется выражениями:
(9) для симметричной нагрузки
(10) для любой нагрузки.
- токи и напряжения фаз А, В. С.
Формула (9) применима только для отдельных трехфазных двигателей. Для бытового сектора должна применяться формула (10).
Аналогичны расчеты для полной и реактивной мощности.
Активное сопротивление провода определяется из выражения:
(11)
ρ - удельное сопротивление провода. Для меди составляет 0, 017 Ом*мм2/м, для алюминия – 0,029 Ом*мм2/м
Lп – длина проводника, измеренная в метрах
Sп – сечение проводника, измеренное в квадратных миллиметрах.
То есть, сопротивление одного погонного метра алюминиевого провода сечением 35 мм2 составляет:
Для 10 метров эта величина будет составлять 0,0083 Ом, для 100 м – 0,083 Ом, для 16 метров (стандартный фасад участка) – 0,013 Ом
Далее проведем конкретные расчеты для упрощенной схемы (три потребителя). Воспользуемся простейшим средством - таблицей Excel. Алгоритм, правда, до ума не доведен, так что, по крайней мере, для трехфазного питания расчеты будут приблизительными.
В этой таблице не закрашены редактируемые поля. Можно ввести конкретные длины линии, сечения провода, нагрузки и получить напряжение у конкретного потребителя. Здесь расчеты приведены для трех сосредоточенных потребителей, могу подкорректировать таблицу для большего (в разумных пределах) числа, но только с конкретным указанием схемы их размещения по расстояниям и по фазам.
Одиночный однофазный потребитель мощностью 5 кВт на напряжении 220 В (0,22 кВ) потребляет ток 22,7 А (следствие формулы (5)). В том случае, если он запитан от одной фазы линии, выполненной алюминиевым проводом сечением 35 мм2и расположен на расстоянии 100 м от источника питания, потери напряжения для этого потребителя составят:
Потери садоводческого товарищества составят:
или в течение 10 часов при тарифе 2 руб/кВт-ч – около 1 р. 70 к.
Коэффициент 2 в обеих формулах учитывает сопротивление прямого и обратного провода.
Эти потери приведены для активной нагрузки. При смешанной активно-реактивной нагрузке ток увеличится в , то есть, в1,2 – 1,7 раза. Соответственно вырастут потери напряжения и мощности.
Если же расстояние составляет 1км или 1000 м, потери потребителя составят 37, 7 В (то есть, вместо 220 на ТП он получит 182 В, а С/т за 10 часов выплатит лишних 17 р. Еще в два раза вырастут потери напряжения и в четыре раза потери мощности при увеличении мощности до 10 кВт.
При замене провода 35 мм2 на 95 мм2 потери для потребителя при потребляемой мощности 5 кВт снизятся до 13, 9 В, а садоводческого товарищества – до 315 Вт.
В том случае, когда к одной линии подключены несколько потребителей, расчет несколько усложняется. Рассмотрим простейший пример. От однофазной сети (или от одной фазы трехфазной сети) питаются три потребителя. Первый потребитель расположен в 100 метрах от ТП и потребляет 10 кВт, второй – в 500 метрах и потребляет 5 кВт, третий – в 1000 метрах и потребляет 5 кВт, напряжение у третьего потребителя будет составлять 156 В. Особенно большое влияние на него будет оказывать второй потребитель, который также удален от ТП. При повышении потребляемой им мощности до 10 кВт напряжение у третьего потребителя упадет до 137 В.
Наиболее оптимально питание потребителей от трех фаз. При том же потреблении напряжение(10/5/5 кВт) у третьего потребителя составит почти 188В. И повышение потребления у второго потребителя до 10 кВт снизит напряжение у третьего не нам 20 В, а всего лишь на 10.
Кстати, расчет для нагрузки, распределенной по трем фазам, довольно примерный. Экономия при неравномерной нагрузке будет чуть ниже, но все же достаточно заметной.
Итого: самым оптимальным малозатратным средством является равномерное распределение нагрузки по фазам. Особенно это будет эффективным, если три мощных потребителя находятся на «хвосте» длинной линии. Хороший результат даст трехфазное подключение мощного удаленного потребителя. Там – его проблемы, как оптимально распределить нагрузку по фазам.
