Одна из острых проблем стоящих на сегодняшний день перед современной отечественной электроэнергетикой — продолжающийся рост износа основного оборудования электрических сетей и существенные потери при передаче и вырабатывании электроэнергии.
В настоящее время около 50% распределительных электрических сетей в России выработали свой ресурс, а общий износ сетей составляет 70%.
Основные пути модернизации и развития отрасли регулируются утвержденными Энергетической стратегия России на период до 2030 года, Стратегией развития электросетевого комплекса Российской Федерации, федеральными законами и подзаконными актами.
Уровень потерь электроэнергии является важным показателем, характеризующим эффективность сетей. В последние годы в России в среднем технические потери составляют около 10,8%. Для их снижения вводятся в работу энергосберегающее оборудование, отключают трансформаторы с сезонной нагрузкой, увеличивают пропускную способность линий, оптимизируют режимы работы сети, компенсируют реактивную мощность.
Однако приведенные подходы не решают задачу по обеспечению промышленных предприятий и городов электрической энергией требуемого объема и качества в полном объеме.
Одним из способов решения данных задач, по усовершенствованию питающих и распределительных сетей и уменьшению потерь электроэнергии в электрических сетях является повышение напряжения до 20 кВ с используемых на сегодняшний день 6 и 10 кВ.
Ряд нормативных документов закрепляет приоритет перехода с напряжения 6(10) кВ на напряжение 20 кВ, как перспективное и необходимое направление развития электросетевого комплекса.
Во многих странах мира, таких как Франция, Германия, Италия, Финляндия и США применение напряжения 20 кВ имеет позитивный результат.
В России электрическую сеть напряжением 20 кВ внедрили в г. Москва для электроснабжения Ходынского поля, а позже этот опыт был успешно использован при обеспечении электроснабжения комплекса «Москва-Сити». Так же данный класс напряжения вводится в Ханты-Мансийском автономном округе, где значительная часть населённых пунктов находится вдали от распределяющих подстанций.
Класс напряжения 20 кВ по сравнению с 6, 10 кВ имеет следующие преимущества:
- большая пропускная мощность, что немаловажно в условиях современного увеличения потребления электроэнергии, причем, как в промышленности, так и в быту;
- напряжения 20 кВ вдвое увеличивает радиус обслуживания подстанций и значительно сокращает число крупных узловых подстанций, учитывая, что при каждой трансформации теряется от 5 до 7% трансформируемой мощности и энергии, то это представляет собой колоссальные суммы средств и миллионы тонн потерянного топлива;
- при использовании напряжения 20 кВ потери уменьшаются на 1,5% по сравнению с такими классами напряжения как 6 и 10кВ.
Проведен сравнительный анализ потерь электроэнергии в РЭС при напряжениях 6, 10 и 20 кВ.
Расчет потерь электроэнергии был проведен для участка сети (рис.1) от главной понизительной подстанции (ГПП) 110/6(10, 20) кВ до трансформаторной подстанции (ТП). Длина от ГПП до контрольной точки 1 составляет 5 км. В качестве линии электропередачи рассматривались сталеалюминиевый неизолированный воздушный провод и кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена.
Мощность нагрузки составляет 750 кВ∙А.
В таблице 1 приведены расчетные значения потерь электрической энергии в зависимости от сечения провода и плотности тока.
Нагрузочные потери электроэнергии в линии определяют по формуле:
№ п/п | Сечение провода S, мм2 | Плотность тока jэк, А/мм2 | Потери электроэнергии в линии ∆W, кВт∙ч/год | ||
6 кВ | 10 кВ | 20 кВ | |||
0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Кабель с изоляцией из сшитого полиэтилена марки АПвБП | |||||
1 | 16 | 1,7 | - | - | 49 950,60 |
2 | 25 | 1,1 | - | - | 31 956,80 |
3 | 35 | 1,7 | - | 91 360,20 | - |
4 | 50 | 1,1 | - | 63 913,70 | - |
5 | 50 | 1,7 | 177 599,80 | - | - |
6 | 70 | 1,1 | 126 933,20 | - | - |
Сталеалюминевый провод марки АС | |||||
7 | 25 | 1,1 | - | - | 31956,80 |
8 | 35 | 0,7 | - | - | 22840,0 |
9 | 50 | 1,1 | - | 63 913,70 | - |
10 | 70 | 0,7 | - | 45 680,10 | - |
11 | 70 | 1,1 | 126 933,20 | - | - |
12 | 120 | 0,7 | 73 599,90 | - | - |
Исходя из графика (рисунок 2) следует, что с уменьшением экономической плотности тока потери электроэнергии уменьшаются:
- при напряжении 6 кВ — уменьшаются на 36%;
- при напряжении 10 кВ — уменьшаются на 30%;
- при напряжении 20 кВ — уменьшаются на 29%.
Исходя из графика (рисунок 3) следует, что с уменьшением экономической плотности потери электроэнергии уменьшаются:
- при напряжении 6 кВ — уменьшаются на 29%;
- при напряжении 10 кВ — уменьшаются на 29%;
- при напряжении 20 кВ — уменьшаются на 42%.
Следует отметить, что с точки зрения схем и компоновки распределительных устройств РЭС 20 кВ и 6–10 кВ относятся к сетям одного класса. Оборудование на 20 кВ (трансформаторы, выключатели, шкафы комплектных распределительных устройств) является комплектным, компактным и по размерам сопоставимо с оборудованием 6 (10) кВ.
Применение такого класса напряжения как 20 кВ позволяет шагнуть на еще одну ступень выше в области электроснабжения городских потребителей. Рассматриваемое напряжение увеличивает пропускную способность линии как минимум в 2–2,5 раза и уменьшает потери электроэнергии в 1,5 раза по сравнению с сетями 6–10 кВ., Линия с напряжением 20 кВ дает возможность повысить качество электрической энергии и уменьшить потери мощности в сетях.