Реферат: Влияние погрешности трансформаторов тока и напряжения на коммерческие потери в энергосистемах

Нижегородский региональный центр энергосбережения при НГТУ

Влияние погрешности трансформаторов тока и напряжения на коммерческие потери в энергосистемах

А.Б. Лоскутов,

Е.Б. Солнцев,

И.В. Озеров

Спад производства последних лет привел к уменьшению нагрузок в ряде узлов энергосистемы, а также снижению потребления промышленностью, что в свою очередь вызвало возникновение отрицательной погрешности в автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии (АСКУЭ).

Причиной тому стало возникновение отрицательной погрешности у первичных датчиков тока и напряжения, в качестве которых используются трансформаторы тока и напряжения.

Данная работа посвящена исследованию причин возникновения погрешностей и способам устранения недоучета электропотребления в системах АСКУЭ.

Погрешности трансформаторов тока (токовая и угловая) обусловлены наличием тока намагничивания и рассчитываются по формулам [1, 2]: токовая погрешность

(1)

где lм — средняя длина магнитного потока в магнитопроводе, м; z2 — сопротивление ветви вторичного тока (полное сопротивление вторичной цепи и вторичной обмотки), Ом; f — частота переменного тока, Гц; Sм — действительное сечение магнитопровода, м2; j — угол потерь, а a — угол сдвига фаз между вторичной э. д. с. Е2 и вторичным током I2, град.; угловая погрешность

(2)

Основное влияние на величины погрешностей трансформаторов тока оказывают их загрузка по току и величина сопротивления вторичной цепи. В условиях снижения потребления электроэнергии промышленными предприятиями загрузка трансформаторов тока часто не превышает 5 — 15%, что приводит к значительному увеличению погрешностей.

Предельные значения токовой и угловой погрешностей трансформаторов тока для измерений (по ГОСТ 7746-89) приведены в таблице.

Класс точности	Первичный ток,% номинального	Предельная погрешность	Вторичная нагрузка,% номинальной, при cos j2 =0,8
токовая	угловая
мин	град
0,2	5 10 20 100-200	±0,75 ±0,50 ±0,35 ±0, 20	±30 ±20 ±15 ±10	±0,9 ±0,6 ±0,4 ±0,3
0,5	5 10 20 100-200	±1,5 ±1,0 ±0,75 ±0,5	±90 ±60 ±45 ±30	±2,5 ±1,7 ±1,35 ±0,9	25-100

Результаты расчета угловой и токовой погрешностей трансформаторов тока типа ТПОЛ 600/5, класса точности 0,5, произведенные по формулам (1) и (2), показаны на рис.1 и 2 (тонкая линия — расчетная кривая, жирная линия — аппроксимация). Вид аппроксимирующего выражения и критерий согласия расчетной и аппроксимирующей кривых представлены на рисунках.

Рис.1

Рис.2

Для диапазонов изменения (1 — 10% и 10 — 100%) первичного тока от номинального значения математические модели токовой погрешности наиболее распространенных трансформаторов тока имеют вид:

ТПОЛ10 — 600/5 Df [%] = 0,8428 * ln I1 — 1,9617 для 1 < I1 < 10% Df [%] = 0,0841 * ln I1 — 0,3919 для 10 < I1 < 100%

ТЛШ10 — 2000/5 Df [%] = 0,7227 * ln I1 — 1,6815 для 1 < I1 < 10% Df [%] = 0,0722 * ln I1 — 0,3353 для 10 < I1 < 100%

ТПШФД10 — 3000/5 Df [%] = 0,5986 * ln I1 — 1,2261 для 1 < I1 < 10% Df [%] = 0,0597 * ln I1 — 0,1111 для 10 < I1 < 100%

Значения первичного тока I1 трансформатора тока в формулы следует подставлять в процентах от номинального значения.

Исследования погрешностей трансформаторов тока проведенные в НИЦЭ, показали приемлемую сходимость теоретических и экспериментальных результатов. На рис.3 приведены результаты экспериментального исследования ТТ типа ТПЛМ10-200/5, класса точности 0,5.

Результаты исследования токовых погрешностей различных типов трансформаторов тока с первичным номинальным током 75 — 600 А позволило сделать следующие выводы:

Рис.3

в диапазоне изменения первичного тока от номинального значения 1 — 25% токовая погрешность имеет отрицательный знак;

с увеличением первичного тока абсолютное значение токовой погрешности уменьшается;

экспериментальные исследования подтверждают правильность математической модели токовой погрешности трансформатора тока;

учет токовой погрешности трансформатора тока в АСКУЭ позволит уменьшить величину небаланса по подстанциям;

количество электроэнергии, отпускаемой потребителям, из-за отрицательной токовой погрешности трансформаторов тока занижено по сравнению с фактической величиной; поэтому учет токовой погрешности трансформатора тока в АСКУЭ позволит более точно оценивать величину отпускаемой потребителям электроэнергии и получить определенный экономический эффект, который будет оценен далее.

Вторым источником погрешности измерения электроэнергии является трансформатор напряжения.

Согласно [3, 4] погрешность по напряжению определяется следующим образом: DU = DUн+DUх (3) где DUн — погрешность по напряжению, обусловленная током нагрузки, %; DUх — погрешность по напряжению, обусловленная током холостого хода, %.

Используя векторную диаграмму, можно с достаточной точностью выразить составляющие погрешности трансформатора напряжения следующим образом:

где U2 — напряжение вторичной обмотки трансформатора, В; Ia — активная составляющая тока холостого хода, приведенная к вторичной обмотке трансформатора, А; r'1 — приведенное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, Ом; I'p — приведенная реактивная составляющая тока холостого хода, приведенная ко вторичной обмотке трансформатора, А; x'1 — реактивное сопротивление первичной обмотки трансформатора, приведенное ко вторичной обмотке, Ом; I2 — ток нагрузки трансформатора, А; r2 — сопротивление вторичной обмотки трансформатора, Ом; cosj2 — коэффициент мощности нагрузки, отн. ед.; x — индуктивное сопротивление трансформатора, Ом.

Угловая погрешность трансформатора напряжения определяется как

где d'x — угловая погрешность, обусловленная током холостого хода; d'н — угловая погрешность, обусловленная током нагрузки.

Составляющие угловой погрешности определяются как

;

Результаты расчета погрешностей трансформатора напряжения показаны на рис.4 и 5. Основное влияние на погрешность трансформатора напряжения оказывает величина вторичной загрузки I2.

Рис.4

Зависимость погрешности трансформатора напряжения от коэффициента загрузки по мощности (отношение фактической нагрузки вторичной обмотки трансформатора напряжения к номинальной величине нагрузки) имеет вид

DU [%] = — 0,73 * Кз + 0,35,

где Кз — загрузка трансформатора напряжения по вторичной обмотке, отн. ед.

Полученные выражения для погрешностей трансформаторов тока и трансформаторов напряжения позволяют увеличить точность учета электроэнергии на подстанциях.

Эффективность внедрения АСКУЭ на подстанции зависит от затрат на внедрение АСКУЭ; от экономического эффекта, полученного в результате внедрения. В настоящее время учет отпущенной электроэнергии и расчет энергетического баланса на большинстве подстанций ведется при помощи электромагнитных счетчиков без учета погрешностей трансформаторов тока и трансформаторов напряжения. Часто трансформаторы напряжения работают при загрузке вторичной обмотки, превышающей номинальную в несколько раз, т.е. с отрицательной погрешностью. Большую часть нагрузки трансформатора напряжения составляют измерительные приборы, подключенные к ним, в частности электромагнитные счетчики активной энергии. Например, на подстанции «Свердловская» установлены индукционные счетчики типа САЗУ-И670М, потребляемая мощность которых 4 Вт. В результате внедрения АСКУЭ индукционные счетчики будут заменены на электронные — типа ПСЧ, потребляемая мощность которых в два раза меньше — 2 Вт.

В этом случае коэффициент загрузки трансформатора напряжения снижается в два раза до значения 1,1 и, следовательно, снижается погрешность трансформатора напряжения с 1,15% до 0,5%. Снижение погрешности трансформатора напряжения приведет к повышению точности учета отпущенной потребителям электроэнергии.

Учет токовых погрешностей трансформаторов тока и напряжения в системе АСКУЭ дает экономический эффект. Для оценки экономического эффекта от внедрения АСКУЭ был произведен оценочный расчет годового потребления электроэнергии по подстанции «Свердловская» с учетом погрешностей трансформаторов тока и напряжения. Расчет производился следующим образом:

По имеющимся данным за характерные зимние и летние сутки года (1997 и 1998 гг.) рассчитывались почасовые значения активной мощности (с учетом погрешностей трансформаторов тока и напряжения) по вводам и отходящим линиям по формуле

Рфакт = P * КI * KU,

где Р — среднечасовые значения мощности, определяемые по показаниям электросчетчиков;

KI — коэффициент, учитывающий токовую погрешность трансформатора тока, KU — коэффициент, учитывающий погрешность трансформатора напряжения.

KI = 1 — (DfI /100), KU = 1 — (DfU /100),

где DfI — токовая погрешность трансформатора тока, DfU — погрешность трансформатора напряжения.

Определялось потребление электроэнергии за характерные зимние и летние сутки с учетом погрешностей трансформаторов тока и напряжения (Wз. факт и Wл. факт) и без учета погрешностей (Wз и Wл) по вводам и отходящим линиям:

Wз. факт = S Рфакт. з, Wл. факт = S Рфакт. л, Wз = S Рз, Wл = S Рл.

Рассчитывалась величина годового потребления активной электроэнергии по вводам и отходящим линиям по формулам

Wг. факт = Wз. факт * Nз + Wл. факт * Nл, Wг = Wз * Nз + Wл * Nл,

где Nз = 213 и Nл = 152 — количество зимних и летних суток в году.

Эффект от внедрения АСКУЭ определяется по формуле DW = SWг. факт — SWг, где SWг. факт и SWг — годовое потребление электроэнергии отходящими фидерами с учетом и без учета погрешностей трансформаторов тока и напряжения соответственно.

Оценку экономического эффекта произведем для двух вариантов.

При учете АСКУЭ токовых погрешностей трансформаторов тока и снижении погрешностей трансформаторов напряжения за счет пониженного энергопотребления электронных счетчиков эффект составит:

по данным за 1997 г.

DW = 331021094-326683013=4338081 кВт*ч/год;

по данным за 1998 г.

DW = 294647641-290512594= 4135047 кВт*ч/год.

В денежном выражении экономический эффект (Э) равен (при стоимости электроэнергии 0,4 руб/кВт*ч) Э = 1735...1650 тыс. руб в год.

При учете только снижения погрешностей трансформаторов напряжения за счет пониженного энергопотребления электронных счетчиков эффект составит:

по данным за 1997 г.

DW = 328316428-326683013=1633415 кВт*ч/год;

по данным за 1998 г.

DW = 292196976-290512594=1684382 кВт*ч/год.

В денежном выражении экономический эффект равен (при стоимости электроэнергии 0,4 руб/кВт*ч) Э = 653...674 тыс. руб в год.

В заключение можно сделать следующие выводы:

уменьшение нагрузок в ряде узлов энергосистемы, а также снижение потребления электроэнергии промышленностью привели к возникновению отрицательной погрешности у трансформаторов тока и соответственно к коммерческому недоучету потребленной энергии;

для устранения недоучета потребления электроэнергии необходимо вводить корректирующие коэффициенты;

учет погрешностей трансформаторов тока в АСКУЭ, а также уменьшение погрешностей трансформатора напряжения за счет внедрения новых электронных счетчиков приводят к значительному экономическому эффекту.

Оценка экономических результатов внедрения АСДУ РЭС производится по следующим показателям:

Эг — годовая экономия в связи с функционированием автоматизированной системы диспетчерского управления;

Ер — расчетный коэффициент эффективности капитальных вложений на создание АСДУ;

Т — срок окупаемости капитальных вложений.

Внедрение задач АСДУ в РЭС определяется следующими критериями эффективности функционирования РЭС:

повышение качества и эффективности электроснабжения;

снижение потерь в электрических сетях;

снижение трудозатрат персонала на обработку и сбор информации о производственной деятельности предприятия;

снижение затрат на капитальный и текущий ремонт;

снижение потерь при аварийных отключениях;

снижение затрат на содержание автотранспорта, необходимого для оперативного обслуживания электрических сетей.

Расчет показателей экономической эффективности производится следующим образом:

1. Приращение годового объема реализуемой продукции в энергосистеме, формируемое за счет АСДУ РЭС:

DА=Wc * (t-C1 ) *K1 *10-5,

где: Wc — количество электроэнергии, передаваемое по сети РЭС, кВт*ч;

C1 — себестоимость передачи электроэнергии, у. е. /кВт*ч;

К1 — коэффициент, определяющий долю участия АСДУ РЭС в формировании ежегодного прироста реализуемой продукции.

DА=800*106 * (1,2-0,2) *0,003*10-5 =24тыс. у. е.

2. Экономия затрат от снижения потерь электроэнергии в электрических сетях РЭС:

DСпс =Wпс *bэ *С1 *10-5,

где: Wпс — потери электроэнергии в электрических сетях, кВт*ч;

bэ — коэффициент, характеризующий сокращение потерь в сетях.

DСпс =96*106 *0,04*0,2*10-5 =7,68тыс. у. е.

3. Экономия затрат от снижения потерь при аварийных отключениях в распределительных сетях:

DСнэ =Нэ *С2 *Квв ,

где: Нэ — величина недоотпуска электроэнергии при отказах, тыс. кВт*ч;

С2 — приведенные затраты на предотвращение недоотпуска электроэнергии, у. е. /кВт*ч;

Квв — коэффициент, характеризующий снижение потерь при аварийных отключениях в распределительных сетях.

DСнэ =44*0,75*0,38=12,54тыс. у. е.

4. Экономия трудозатрат персонала, связанных со сбором и обработкой информации:

DСсон =1,07*Кперс *Ксон *ЗП*Ч,

где: 1,07 — коэффициент отчислений на социальное страхование;

Кперс — коэффициент, характеризующий снижение трудозатрат персонала по обработке информации;

Ксон — коэффициент, отражающий долю общей численности промышленно-производственного персонала, занятого сбором и обработкой информации (принимается равным 0,2);

ЗП — среднегодовая зарплата персонала, тыс. у. е.;

Ч — численность персонала, чел.

DСсон =1,07*0,15*0,12*1,066*74=1,52тыс. у. е.

5. Экономия затрат на автотранспорт, необходимый для сбора информации о состоянии управляемых объектов и оперативного персонала:

DСавт =Кавт *Савт ,

где: Кавт — коэффициент, характеризующий снижение расходов на содержание автотранспорта;

Савт — годовые затраты на автотранспорт.

DСавт =0,2*8=4тыс. у. е.

6. Экономия затрат на капитальный ремонт оборудования:

DСкр =Кфон *Скр ,

где: Кфон — коэффициент, характеризующий снижение затрат на капитальный ремонт оборудования;

Скр — затраты на капитальный ремонт оборудования, тыс. у. е.

DСкр =0,017*196,68=3,34тыс. у. е.

7. Годовая экономия от функционирования АСДУ РЭС:

Эг =DА+DСпс +DСнэ +DСсон +DСавт +DСкр -Сасу ,

где: Сасу — текущие затраты, связанные с функционированием АСДУ РЭС, тыс. у. е.

Эг =24+7,68+12,54+1,52+4+3,34-17,3=35,7тыс. у. е.

8. Годовой экономический эффект:

Э=Эг -Ен *КдА ,

где: Ен — единый нормативный коэффициент экономической эффективности капиталовложений;

КдА — единовременные затраты, связанные с созданием АСДУ РЭС:

КдА = КкА + КпА =62.12+8.18=70.3тыс. у. е.

Э=35.7-0,15*70.3=25.155тыс. у. е.

9. Расчетный коэффициент эффективности капиталовложений:

Ер =Эг / КкА ,

Ер =35.7/62.12=0.57

10. Срок окупаемости капиталовложений:

Т= КкА /Эг ,

Т=62.12/35.7=1.74года

Расчетный коэффициент эффективности Ер =0.57, что больше отраслевого нормативного коэффициента капиталовложений равного 0,44, следовательно, создание АСДУ РЭС экономически целесообразно.