Metode de reducere a pierderilor de putere si energie in Retelele Electrice

Metode de reducere a pierderilor de putere si energie in Retelele Electrice

Pierderile de energie in retelele electrice in contextual actualei situatii energetice

In actuala criza energetica, economisirea energiei a devenit o problema de o importanta majora la nivel international. Studiile intocmite evidentiaza faptul ca reducerea pierderilor in retelele electrice este mult mai economica decat cresterea corespunzatoare a capacitatilor de generare, iar eficienta energetic reprezinta cea mai ieftina resursa dintre toate resursele existente 8]

Literatura tehnica de specialitate subliniaza conditiile noi in care se pune problema pierderilor de energie dupa aparitia crizei energiei (anii '70) atat in legatura cu costul acestora cat si cu necesitatea economisirii energiei ca atare. In prezent este unanim recunoscut faptul ca reducerea pierderilor - in special in retelele de distributie - conduce la obtinerea unor puteri si energii cu costuri mult mai reduse decat construirea de noi capacitati de productie si transport. Pe de alta parte energia electrica este perceputa tot mai mult ca un serviciu public catre populatie, dar in egala masura o necesitate pentru activitatea din economie.

Responsabilitatea de a asigura acest serviciu trebuie vazuta de consumatori nu numai ca un drept de a fi serviti, dar si ca o obligatie de a folosi rational energia, in conditii de eficienta energetica. Acesta este unul din mesajele Cartii Verzi, cand se refera la un nou tip de management al cererii de energie.

In acest context, politica energetica durabila isi propune sa maximizeze bunastarea pe termen lung a cetatenilor, pastrand un echilibru dinamic, rezonabil intre siguranta in alimentare, competitivitatea serviciilor energetice si protectia mediului, ca raspuns la provocarile sistemului energetic.

Pe plan international, atat tarile dezvoltate cat si tarile mai putin dezvoltate sunt preocupate serios de problemele ce decurg din producerea si utilizareaenergiei. Cresterea consumului si a costurilor, precum si impactul social, dar si cel de mediu reprezinta cele mai serioase dintre aceste probleme.

Metode de reducere a pierderilor care nu necesita investitii suplimentare

Aceste masuri sunt legate de modul de exploatare al retelei electrice si vizeaza obtinerea unui optim de functionare 9]

a.       Repartitia optima a puterilor intre centrale

b.      Reglarea nivelului de tensiune in exploatare

c.       Optimizarea functionarii in regim de sarcina minima

d.      Optimizarea regimului de functionare a transformatoarelor in paralel

e.       Optimizarea circulatiei de puteri in retele buclate neomogene

f.       Reconfigurarea optima a retelelor electrice de distributie

g.      Echilibrarea incarcarii fazelor retelelor electrice de joasa tensiune.

Metode de reducere a pierderilor care implica investitii suplimentare

In general aceste masuri sunt legate de studiile de planificare ale retelei electrice si necesita investitii suplimentare pentru aplicare.

a.       Optimizarea structurii retelei electrice prin echilibrarea zonelor de productie si a zonelor de consum.

b.      Cresterea tensiunii nominale de functionare a unor retele electrice.

c.       Compensarea puterii reactive (imbunatatirea factorului de putere)

d.      Instalarea de mijloace suplimentare de reglare a tensiunii.

e.       Schimbarea conductoarelor liniilor electrice aeriene.

f.       Eliminarea dublei transformari (pentru reteaua de transport).

g.      Utilizarea de transformatoare cu parametrii imbunatatiti.

h.      Descentralizarea retelei de distributie de joasa tensiune.

In cele ce urmeaza se detaliaza cateva aspect tehnico-economice privind aplicarea unor masuri de reducere a pierderilor in retelele electrice.

Masuri de reducere a pierderilor de energie care implica transformatoarele electrice

O metoda reducere a pierderilor de putere si energie este inlocuirea transformatoarelor slab incarcate. [10]

Daca consideram doua transformatoare T₁ si T₂ de puteri S_n1 > S_n2 se pune problema stabilirii care dintre cele doua transformatoare trebuie utilizat la o sarcina S. Diferentierea se va face in mod evident dupa pierderile de putere. Egaland pierderile de putere pentru cele doua transformatore vom gasi sarcina frontiera pentru trecerea de la un transformator la altul.

Pentru S > S_lim este eficienta functionarea cu trafo T₁, in caz contrar este eficienta functionarea cu T₂.

Metoda de mai sus este valabila pentru perioade scurte de timp, de exemplu cand cele doua transformatoare sunt in paralel. In cazul practic cand este necesara demontarea vechiului transformator si montarea unuia nou, eficienta inlocuirii se stabileste pe baza criteriului CTA. Calculele se efectueaza in ipoteza sarcinii constante pe perioada de studiu T_s. In expresia CTA vor fi cuprinse, pe langa pierderile de energie si cheltuielile de exploatare ca si cele pentru inlocuirea transformatorului. Considerand trecerea de la transformatorul T₁ la transformatorul T₂ vom avea:

C_ex1 sunt cheltuielile anuale de exploatare in [$/an],

unde I este investitia reprezentand cheltuielile de inlocuire in [$].

Daca CTA₁ > CTA₂ inlocuirea lui T₁ cu T₂ este eficienta. Pentru CTA₁=CTA₂ se obtine durata de studiu actualizata pentru care se recupereaza investitia I:

T_ra, durata de recuperare a investitiei:

Se constata ca relatia de mai sus se poate aplica daca 1-a T_sa > 0 adica T_sa < 1/a=10 ani. Practic, T_sa ne da durata de recuperare neactualizata.

Un alt aspect important legat de bilantul transformatoarelor este acela al stabilirii numarului optim de transformatoare care functioneaza in paralel (daca exista mai multe).

Modificarea numarului de transformatoare conectate in paralel influenteaza, pierderile de energie, puterea de scurtcircuit pe bara din aval si siguranta in functionare. In cazul in care ultimele doua aspecte nu conduc la restrictii, se poate stabili acest numar pe criteriul reducerii pierderilor de energie. Considerand o sarcina totala S pe m transformatoare identice, pierderea de putere va fi:

Egaland pierderile de putere pentru m si m-1 transformatoare rezulta sarcina frontiera pentru care se trece de la m la m-1 transformatoare si invers:

Pentru S < S_lim este eficienta functionarea cu m-1 transformatoare in paralel, iar pentru puteri mai mari cu m transformatoare. Daca transformatoarele sunt de tipuri diferite atunci se calculeaza pierderile prin insumarea acestora pe fiecare transformator. Pentru un post de transformare cu doua transformatoare de 250 KVA, sarcina limita de trecere de la 1 la 2 transformatoare rezulta 133 KVA (55% S_n). Intr-o modelare mai buna ar trebui sa se tina seama de costul manevrelor de conectare/deconectare. Costul unei manevre, C_man, in [$/manevra] poate fi exprimat prin:

unde C_rev reprezinta costul unei revizii la echipamentul de comutatie (intrerupator), iar n_rev numarul de manevre in sarcina dupa care trebuie efectuata o revizie la acesta. De asemenea se poate tine seama de daunele probabile D, in [$/an] pentru fiecare varianta in parte. Considerand durata de optimizare Dt, puterea limita de trecerea de la m la m-1 transformatoare in paralel va fi determinata din inegalitatea:

De aici rezulta S_lim:

►Reducerea pierderilor de energie prin reconfigurarea optima a retelelor electrice de distributie

In general, retelele electrice de distributie (RED) sunt explaoatate in scheme debuclate.

Reconfigurarea unei retele electrice consta in modificarea configuratiei curente prin schimbarea legaturilor functionale dintre elementele sale cu scopul imbunatatirii indicatorilor sai de performanta . Problema reconfigurarii este una de optimizare multicriteriala in care solutia este aleasa in urma estimarii unui ansamblu de indicatori numiti criterii partiale, acestea reprezentand scopuri multiple.[11]

In literatura de specialitate se prezinta mai multe modalitati de abordare a problemelor de optimizare multicriteriala, dintre care se amintesc optimizarea prin ponderare (ponderea caracterizeaza importanta criteriului si se poate determina cu sau fara expertiza) si metoda criteriului principal (cea mai des utilizata in problemele de reconfigurare a RED): se alege criteriul principal (de exemplu, pierderile de putere/energie activa, functia obiectiv identificandu-se cu acest criteriu), pentru celelalte criterii se indica valori acceptabile si se incearca rezolvarea problemei.

Pentru reconfigurarea retelelor electrice de distributie, in literatura de specialitate sunt propusemai multe criterii, unul din cele mai importante fiind cel al pierderilor de putere si energie activa. Pentru regimul simetric-sinusoidal, pierderile de putere prin efect Joule-Lenz se pot calcula curelatia :

unde

P reprezinta valoarea pierderilor de putere activa in retea;

(i, j) - extremitatile unei linii electrice;

E - multimea liniilor retelei (multimea muchiilor grafului atasat);

I(i,j) - intensitatea curentului electric pe linia (i, j), corespunzator varfului de sarcina;

R(i, j) - rezistenta electrica a liniei (i, j);

i, j) - variabila binara, avand valoarea 1 sau 0, dupa cum linia (i, j) este in functiune sau nu.

In mod analog se pot formula relatii de calcul a pierderilor de putere/energie activa si pentruregimurile de functionare nesimetric - sinusoidal si nesimetric - nesinusoidal.

►Reducerea pierderilor de energie prin imbunatatirea factorului de putere

- Cauzele unui factor de putere redus:

Reducerea factorului de putere in retelele electrice este determinata de puterile reactive si deformante consumate de diferitele receptoare si chiar de unele elemente ale retelelor.

Receptoarele inductive pot fi impartite in doua grupe importante:

. Receptoare inductive, care consuma putere reactiva necesara producerii campurilor magnetice proprii (motoare asincrone, cuptoare cu arc, echipamente electronice de putere, masini sincrone subexcitate, etc.);

. Receptoare capacitive, care produc putere reactiva (masini sincrone supraexcitate, condensatoare statice, linii electrice aeriene de inalta tensiune sau linii electrice subterane functionand cu sarcina redusa si avand un efect predominant capacitiv).

Imbunatatirea factorului de putere prin folosirea mijloacelor naturale

Masurile preconizate pentru imbunatatirea factorului de putere trebuie sa conduca la micsorarea puterii reactive circulate, cat si a puterii deformante din instalatiile electrice. Pe masura ce sistemul energetic contine o configuratie mai complexa, problema realizarii unui factor de putere cat mai ridicat (peste valoarea neutrala 0.92 sau 0.93) in toate punctele devine deosebit de dificila 12]

Masurile ce trebuie luate se impart in urmatoarele categorii principale: masuri cu character tehnico-organizatoric si masuri speciale.

Masurile tehnico-organizatorice conduc la marirea factorului de putere prin eliminarea cazurilor si conditiilor care determina scaderea acestuia sub valoarea sa nominala. Ele pot fi realizate cu minim de efort financiar si uman, solicitand insa o atentie deosebita in analizarea si studierea situatiei concrete a fiecarui receptor in parte si a ansamblului de consumatori, precum si a retelei electrice in zona respectiva. In aceasta categorie de masuri intra cele care urmaresc functionarea transformatoarelor electrice la un regim optim din punct de vedere al pierderilor, montarea transformatoarelor de puteri mai mici, marirea coeficientului de incarcare a motoarelor asincrone, limitarea timpului de mers in gol, executarea unor reparatii de calitate la motoarele asincrone, etc.

Tot in aceasta categorie de lucrari se incadreaza si cele legate de punerea la punct a procesului tehnologic in diferite intreprinderi in scopul imbunatatirii regimului energetic al echipamentului si al factorului de putere. Masura priveste utilajul tehnologic si modul de utilizare, intretinere si reparare a acestora. De asemenea intra cele legate de: stabilirea unei configuratii pentru retelele electrice si a unor circulatii de puteri active si reactive care sa conduca la consumuri tehnologice cat mai reduse si la imbunatatirea factorului de putere, coordonarea masurilor in zona pentru imbunatatirea factorului de putere, eleborarea bilantului energiei reactive, organizarea sistemului informational, etc.

Masuri speciale sunt acele masuri care se iau in cadrul planurilor de investitii si care conduc la cresterea factorului de putere general al instalatiilor prin reducerea puterii reactive consumate de receptoare precum si a puterii deformante.

In aceasta categorie de masuri intra montarea de noi surse de energie reactiva in sistemul energetic si la consumatori, montarea de filtre pentru limitarea efectelor date de puterea deformant; trecerea la tensiuni superioare a unor retele si eliminarea dublelor transformari; realizarea de noi linii electrice de transport pentru a evita functionarea celor existente la sarcini ce depasesc zona puterii naturale, etc.

In scopul ridicarii factorului de putere neutral λ la valoarea ceruta, dupa ce au fost epuizate toate mijloacele naturale, se va lua in considerare instalarea de surse specializate. Din aceasta categorie fac parte:

. Bateriile de condensatoare, automatizate.

. Compensatoarele sincrone.

► Reducerea pierderilor in retelele electrice prin descentralizarea retelei de distributie de joasa tensiune.

Tarile dezvoltate au creat retele complexe si vaste pentu alimentarea cu energie electrica a comunitatilor lor. Dar sistemul acesta de tip centralizat nu este capabil sa ofere solutii de rezolvare efectiva a tututor problemelor. Din acest motiv comunitatile trebuie sa inceapa sa regandeasca sistemele lor energetice. Regiunile dezvoltate se pot orienta catre un sistem energetic descentralizat, flexibil si eficient, care sa raspunda problemelor sociale. In ceea ce priveste tarile mai putin dezvoltate, in loc sa investeasca in centrale de producere mari si costisitoare si in infrastructuri de transport si distributie, ele pot crea sisteme locale de producere a

energiei[

Energia descentralizata se poate obtine cu tehnologii clasice sau noi, cu surse conventionale sau regenerabile si poate asigura alimentarea sub forma de electricitate, caldura sau frig. In momentul de fata, ponderea producerii descentralizate pe piata internationala este de aproximativ 7% si este de asteptat ca ea sa creasca. Producerea energiei electrice prin centrale locale are mai multe avantaje printre care: reducerea pierderilor pe linii, amanarea investitiilor in retele de transport si distributie si cresterea sigurantei in alimentarea cu energie electrica.

- reteaua de joasa tensiune centralizata (creata in Europa) se bazeaza pe un numar mare deposturi de transformare de putere ridicata si o retea extinsa de joasa tensiune deservind 10 - 200 consumatori;

- reteaua de joasa tensiune descentralizata (creata in America de Nord) se bazeaza pe transformatoare mici, instalate la centrele de consum sau foarte aproape de acestea, cu un sistem de distributie de joasa tensiune restrans sau chiar inexistent, fiecare transformator alimentand 1-15 consumatori, in functie de densitatea de sarcina.

Diferentele principale dintre aceste doua concepte sunt urmatoarele:

- in sistemele centralizate puterea este distribuita consumatorilor prin vehiculare pe liniile de joasa tensiune in timp ce in sistemele descentralizate ea este practic distribuita in centrele de consum la medie tensiune;

- sistemele descentralizate necesita investitii mai mari (~ cu 6%) datorita lungirii liniilor la medie tensiune si a utilizarii unui numar mai mare de transformatoare cu putere unitara mica;

- fara considerarea pierderilor in retele este economic mai eficient sistemul centralizat, dar cu considerarea pierderilor, la actualele costuri, acesta este practic scos din competitie.