Учет температуры токопроводящих частей в электрических расчетах как средство повышения комплексной эффективности функционирования электрических систем

УДК 621.316.3

С.С. Гиршин

УЧЕТ ТЕМПЕРАТУРЫ ТОКОПРОВОДЯЩИХ ЧАСТЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РАСЧЕТАХ КАК СРЕДСТВО ПОВЫШЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СИСТЕМ

1. Общие положения

          При протекании тока по элементам электрической сети происходит повышение температуры токопроводящих частей. Вместе с тем тепловые процессы оказывают и обратное влияние на электрический режим через активные сопротивления, обладающие температурной зависимостью. Как правило, это влияние при электрических расчетах сетей не учитывается. Исключением являются некоторые случаи расчета потерь энергии [1].

          Пониженный интерес к учету температуры при электрических расчетах имеет следующие причины:

1) нагрев элементов сети считается вторичным фактором, оказывающим не самое большое влияние на электрический режим (очевидное исключение представляют собой нагрузочные потери мощности и энергии, так как они прямо пропорциональны активным сопротивлениям);

2) температура помимо тока зависит также от значительного числа других факторов, учет которых является достаточно сложной задачей.

Таким образом, учет нагрева наиболее эффективен при расчетах потерь мощности и энергии. Активное сопротивление элементов сети в рабочем диапазоне температур изменяется примерно на 50%. Следовательно, учет нагрева может привести к уточнению потерь на 25% (если справочные значения сопротивлений приведены к середине этого диапазона) и более. Дополнительно в отношении этого можно выделить три следующих фактора, играющих важную роль.

1. Температура влияет на величину потерь энергии не только через значения активных сопротивлений, но и через значения токов. Это является следствием нелинейности активных сопротивлений.

2. Задачи расчета потерь энергии и выбора мероприятий по их снижению существенно отличаются друг от друга, и эффект учета нагрева в этих задачах также будет разным.

3. При режимных изменениях, осуществляемых на основе расчетов с учетом температуры, во многих случаях будут наблюдаться сопутствующие положительные эффекты, в частности, улучшение теплового режима элементов сети.

Ниже эти факторы рассмотрены более подробно.

2. Нелинейность активных сопротивлений

Поскольку температура проводника зависит от тока, а активное сопротивление – от температуры, то, следовательно, активное сопротивление зависит от тока. Этот вид нелинейности (в дальнейшем – температурная нелинейность) проявляется во всех токоведущих частях, причем тем в большей степени, чем выше коэффициент загрузки элемента сети по току. С учетом этого нагрузочные потери активной мощности в каком-либо элементе сети (трехфазном) можно записать в следующей форме:

,                                                 (1)

где R(Θ) – активное сопротивление, записанное как функция температуры проводника Θ; I(R) – ток как функция активного сопротивления.

          Влияние температурной нелинейности на потери активной мощности определяется характером функции I(R) в рабочей области параметров режима. Если эта функция является убывающей, то рост потерь активной мощности, обусловленный ростом температуры и, следовательно, активного сопротивления, ослабляется уменьшением тока. При этом также ограничивается дальнейший рост температуры, то есть имеет место отрицательная обратная связь по току. Очевидно, что в данном случае зависимость потерь мощности от температуры выражена слабее, чем при I = const.

          Если функция I(R) является возрастающей, то рост потерь при повышении температуры дополнительно усиливается ростом тока. Это приводит к еще большему повышению температуры, то есть наблюдается положительная обратная связь. Зависимость потерь мощности от температуры выражена сильнее, чем при I = const, и поэтому учет температуры приводит к более значительному уточнению потерь мощности и энергии.

          В реальных условиях функция I(R) может быть как убывающей, так и возрастающей. Это зависит от вида статических характеристик нагрузки по напряжению, а также от конфигурации сети. Так, если нагрузка близка к линейному сопротивлению, то функция I(R) является убывающей. Действительно, при повышении активного сопротивления электропередачи возрастет потеря напряжения в сети, и, следовательно, уменьшится напряжение в узле подключения нагрузки. А поскольку нагрузка близка к линейному сопротивлению, то уменьшение напряжения приведет к снижению тока.

          Однако если потребляемая мощность мало зависит от напряжения, что характерно для электродвигательной нагрузки, особенно при скомпенсированной реактивной мощности, то при снижении напряжения ток, наоборот, увеличится. Поэтому функция I(R) будет возрастающей.

          Расчеты, проведенные для блока «кабель – трансформатор», показали, что одновременный учет температуры и статических характеристик нагрузок в ряде случаев позволяет уточнить величину нагрузочных потерь активной мощности в кабеле более чем на 30% (имеется в виду уточнение по сравнению с расчетом, не учитывающем оба этих фактора; однако уточнение относительно расчетов, учитывающих какой-либо один из двух факторов, также значительно). При этом температура жилы кабеля не превышала 70 ⁰C, а первоначально активное сопротивление было приведено к 20 ⁰C. Такой перепад температуры при I = const дает изменение (уточнение) потерь активной мощности только на 20%, то есть значительно меньше, чем в действительности.

3. Учет температуры при выборе мероприятий по снижению потерь энергии

          В общем случае выбор мероприятий по снижению потерь энергии состоит из двух этапов:

1) определение оптимальной величины воздействия, изменяющего режим;

2) технико-экономическое обоснование целесообразности ввода мероприятия.