Metodika určení technických ztrát elektrické energie v zařízení distribuční soustavy

6.10.5

Metodika určení technických ztrát elektrické energie v zařízení distribuční soustavy

Ing. Vítězslav Šťastný, CSc. a kolektiv

Na obr. Účinnost technologického procesu, uvedeném v kapitole 6.10.2., je schematicky naznačeno, které základní položky tvoří celkový objem ztrát. Položka vlastní spotřeby má dvě dílčí složky. První z nich, a to vlastní spotřeba výroben, rozvoden, transformoven, vedení a pomocných provozů , je jasně deklarována co do obsahu a její velikost lze jednoznačně určit. Druhou složku tvoří spotřeba měřících, ochranných a řídících systémů, spotřeba elektroměrů, přijímačů HDO, tedy těch technických prvků a vybavení, která není měřena, ale kterou lze na základě provozních zkušeností určit s velkou pravděpodobností správného výsledku.

Největší položkou jsou technické ztráty v technologickém procesu, vznikající průchodem proudu rozvodným zařízením, jako projev působení fyzikálních zákonů. Na základě této definice je zřejmé, že ztráty jsou podmínkou nutnou pro uskutečnění technologického procesu, mohou být účelně omezeny, nemohou však být nulové. V distribučních síťových systémech největší hodnoty dosahují ztráty vznikající zejména ve dvou prvcích; ve vedeních a v transformátorech.

Z výše citovaného obrázku dále vyplývá, že technické ztráty mají dvě formy projevu. Vyskytují se ve formě složky stálé a proměnné, podle této specifické vlastnosti je dělíme do dvou základních podskupin.

A/ Stálá složka ztrát, její specifickou vlastností je skutečnost, že není závislá na velikosti zatížení, které prvkem prochází. V obecné formě lze za technické ztráty stálé považovat:

1. ztráty koronou
   Vyskytuje se u venkovních vedení. U vedení 110 kV jsou ztráty koronou převažující formou stálých technických ztrát.

   Příloha č. 1, vyhlášky č.153/2001 Sb. udává, že k určení velikosti ztrát elektrické energie způsobených koronou u třífázového vedení provozovaného po dobu T_p hodin za rok, o délce L_v (km), lze použít vztah

   W_Zt1 = 3 _* P_{Zt 1 *} L_{v *} T_{p *} 10 ^{- 3} [MWh],

   kde P_{Zt 1} je velikost činných ztrát na 1 km jedné fáze vedení způsobených koronou, a k výpočtu je možno použít metodiku uvedenou v Příloze č. 1 vyhlášky č.153/2001 Sb.

   P_{Zt 1} = 2,44 _* (f + 25)ρ / _* √r/d * (U_f – U_k)² 10^-3,

   kde U_k je kritické napětí, tj. počáteční hodnota fázového napětí, kdy nastává výboj. Vztah použitelný pro výpočet U_k je uveden v příloze č. 1 citované prováděcí vyhlášky MPO ČR.

   Pro odborný odhad velikosti ztrát způsobených koronou lze použít údaje měrných ztrát uvedené v literatuře. Podle odborných publikací dosahují měrné ztráty koronou asi 2 MWh za rok na jeden km délky vedení, při provozním napětí 110 kV. Při vyšší hodnotě provozního napětí, např. 116 kV, měrná hodnota ztrát koronou je 2,224 MWh/km délky vedení a rok.

   V příloze č. 1 vyhlášky 153/2001 Sb je uvedeno, že u vedení 110kV s průřezem větším než 95 mm² jsou ztráty koronou zanedbatelné.

   Dr. Pavlovský ve svých publikacích o ztrátách uvádí, že ztráty koronou vznikají také u vedení vn. Při provozním napětí 23 kV je měrná hodnota stálé složky ztrát 0,33 MWh/km délky vedení VN za rok.

2. ztráty svodem Tato forma ztrát se uplatňuje u všech venkovních rozvodů bez rozdílu napětí. U vedení distribuční soustavy je tato forma ztrát způsobena svodem v nedokonalé izolaci na př. větvemi stromů zasahujícími do venkovních vedení, nedokonalými spoji svorek, bleskojistkami, poškozenými izolátory atd.

   Pro výpočet velikosti ztrát elektrické energie svodem P_Zt2 je možné použít metodiku uvedenou v Příloze č. 1 vyhlášky č.153/2001 Sb. Vzhledem k tomu, že jsou ztráty svodem ve srovnání s objemem celkových ztrát poměrně malé, je možné pro výpočet použít měrné hodnoty P_Zt2 uvedené v příloze v následujícím přehledu:

   • venkovní vedení 110kV 9500 kWh/km _* rok

   • venkovní vedení VN 800 kWh/km _* rok

   • venkovní vedení NN 30 kWh/km _* rok

3. ztráty v dielektriku
   Ztráty vznikají v kabelech, jsou to prakticky ztráty svodem. Uvažují se v kabelových rozvodech všech úrovní napěťových hladin. Pro určení jejich velikosti lze použít metodický postup uvedený v Příloze č. 1 vyhlášky MPO č. 153/2001 Sb., nebo použít pro výpočet ztrát elektrické energie třífázového kabelového vedení délky L_k v km, provozovaného po dobu T_p hodin následujícího vztahu, který garantuje výsledky s dostatečnou přesností:

   W_Zt3 = 3 * P Z_t3 L_k * T_p * 10^-3 [MWh]

   kde P_Zt3 jsou měrné dielektrické ztráty, hodnoty pro kabely různých napěťových hladin jsou uvedeny v následujícím přehledu:

   3f kabely 110 kV 175 000 kWh/km * rok

   3f kabely 35 kV 26 000 kWh/km * rok

   3f kabely 22 kV 14 000 kWh/km * rok

   3f kabely 10 kV 4 500 kWh/km * rok

   3f kabely 6 kV 1 600 kWh/km * rok

   3f kabely 0,4 kV 4 kWh/km * rok

4. Ztráty transformátorů naprázdno
   U transformátorů jsou ztráty stálé složky úměrné velikosti magnetizačního proudu. Měrné ztráty naprázdno označované ∆P_o [W] jsou specifickou hodnotou, která je závislá na výkonové velikosti, konstrukčním typu transformátoru a zejména druhu plechů použitých pro magnetizační obvod. Tyto ztráty jsou významné u transformátorů starších. Pokud u transformátorů bylo použito při výrobě amorfních či orientovaných plechů, tvoří ztráty naprázdno asi 30 až 35 % z hodnoty ztrát naprázdno transformátorů s normálními plechy. Ztráty transformátorů naprázdno se při výpočtu objemu ztrát elektrické energie v DS nebo LDS uvažují u transformací na všech úrovních napěťových hladin.

   Ztráty elektrické energie naprázdno u transformátoru po dobu provozu T_p [h] (u transformátorů všeužitečné elektrizace bývá obvykle T_p = 8760 hodin, u průmyslových LDS záleží na druhu napájeného technologického systému a požadované úrovni spolehlivosti dodávky elektřiny) jsou dány vztahem

   W_Zt4 = ∆P_o * T_p * 10^-6 [MWh]

   Vstupními údaji pro výpočet celkových ztrát naprázdno všech distribučních transformátorů provozovaných v předmětné analyzované distribuční soustavě jsou jejich počty n [ks]. Orientační hodnoty ∆P_o pro jednotlivé výkonové typy a skupiny kvality plechu jsou uvedeny v normách a také ve vyhlášce č.153/2001 Sb.

   Při určení velikosti ∆P_o je třeba vycházet z konkrétních inventarizačních údajů držitelem licence provozovaných transformátorů 110/22 a 22/0,4 kV.

5. Technické ztráty stálé způsobené vlastní spotřebou měřících prvků (elektroměrů)
   Tyto ztráty se uvažují v měřících zařízeních všech úrovní napěťových hladin distribučních soustav. Rozlišuje se pouze typ elektroměru a jemu příslušná charakteristická měrná spotřeba elektřiny. Průměrné příkony jsou uvedeny v následujícím přehledu:

   jednofázový. jednosazbový elektroměr P_{Zt5 11} 1,44 W

   jednofázový dvousazbový elm. P_{Zt5 12} 1,44 + 1,2 = 2,64 W

   třífázový jednosazbový elm. P_{Zt5 31} 3 x 1,44 = 4,32 W

   třífázový dvousazbový elm. P_{Zt5 32} 3 x 1,44 +1,2 = 5,52

   Roční ztráty elektrické energie v provozní oblasti distribuční soustavy lze určit dle vztahu:

   W_Zt5 = (n_E31 * P_Zt31 + n_E32 * P_Zt32) * 8,76 * 10^-3 [MWh],

   kde n_E31 a n_E32 jsou počty dvou a jednosazbových třífázových elektroměrů, připojených v analyzované distribuční soustavě.

   Roční ztráty elektrické energie v měřících prvcích, která se promítá do oblasti obchodní, se určí pomocí následujícího vztahu

   W_Zt5ob = (n_E11 * P_Zt11 + n_E12 * P_Zt3 + n_E31 * P_Zt31 + n_E32 * P_Zt32) * 8,76 * 10^-3 [MWh],

   kde n_E11; n_E12; n_E31; n_E32 jsou počty jednotlivých typů odběratelských elektroměrů v analyzované distribuční soustavě

   Při výpočtu roční ztráty elektrické energie v měřících prvcích lze využít paušální měrný údaj uvedený ve vyhlášce č. 150/2001 Sb. a to v hodnotě 25 MWh/1000 ks měření za rok.

6. Trvalá spotřeba řídicích prvků
   Zejména se jedná o vlastní spotřebu přijímače HDO a přepínacích hodin. Uplatňuje se v sítích VN i NN.

   Měrná spotřeba (průměrný trvalý příkon nezbytný pro funkční provoz uvedených řídících prvků):

   • u přepínacích hodin P_ztph = 1,5 W/ks

   • přijímač HDO P_ztHDO = 2,0 W/ks

Roční ztráta elektrické energie (spadá do oblasti obchodních ztrát) se určí podle vztahu:

W_{Zt6 ob} = (n_ph * P_ztph + n_HDO * P_ztHDO) * 8,76 * 10^-3 [MWh]

kde n_ph; n_HDO jsou počty ks přepínacích hodin a přijímačů HDO použitých v distribuční soustavě

Při výpočtu lze také využít paušální hodnoty spotřeby řídících prvků, ve vyhlášce je doporučena hodnota 10 MWh/1000 ks za rok.

B/ Proměnné složky technických ztrát
Do této skupiny ztrát elektrické energie v prvcích distribučních systémů jsou zařazeny ztráty závislé na velikosti zatížení procházejícího předmětným prvkem. Jedná se o nejvýznamnější provozní ztráty. Obyčejně velikostí převyšují ztráty stálé, i když jsou zde zařazeny pouze čtyři složky:

1) Jouleovy ztráty vznikající průchodem proudu třífázovým vedením
Vznikají ve vedeních venkovních i kabelových všech napěťových hladin.

Obecná formulace vztahu pro výpočet velikosti ročních činných ztrát ve vedeních je

W_Ztved = 3 _* R _* I² _* T_{Z *} 10^-3 [MWh]

Způsob výpočtu může provozovatel přízpůsobit charakteru vstupních informací podle místa měření, rozsahu vstupních hodnot a způsobu jejich získávání. Důležitá je i jejich objektivita, s jakou popisují reálně se vyskytující provozní situace.

1. Výpočet ztrát činného výkonu ve venkovním vedení 110 kV
   Ve vyhlášce č.153/2001 Sb.příloha 1, kap. B, /7/ a) je uvedena pouze jedna varianta metodiky výpočtu vhodná pro výpočet Jouleových ztrát venkovního vedení napěťové hladiny 110 kV. Způsob určení předpokládá existenci dálkových měření elektroenergetických veličin uvažované sítě v reálném čase v dostatečné kvantitě a kvalitě a jejich archivaci po hodinových intervalech po celé uvažované období, které jsou současně vstupními informacemi programu pro výpočet ustáleného chodu sítě nebo programu obdobného, který pro výpočet ztrát používá metodický postup uvedený v textu přílohy citované vyhlášky.

2. Výpočet ztrát elektrické energie v sítích VN je předmětnou náplní části B. oddílu b). přílohy č.1 k vyhlášce č.153/2001 Sb. Podle způsobu, charakteru a množství vstupních údajů a také s přihlédnutím k typu vedení může si provozovatel při výpočtu velikosti ztrát zvolit některou z dále uvedených variant metodiky výpočtu:

   • první varianta výpočtu předpokládá (bez ohledu na typ vedení), že existuje dálkové měření proudů v reálných časech na vývodech z rozvodenVN a jejich archivace po hodinových intervalech v celém sledovaném období a také že existuje model uvažovaného distribučního systému. V této části přílohy č. 1 k vyhlášce MPO č. 153/2001 Sb. je uveden vhodný algoritmus výpočtu velikosti ztrát činného výkonu přeměnnou proudového zatížení na teplo ve vedeních a transformátorech, pokud platí pro vstupní údaje výše uvedené podmínky.

   • druhá varianta výpočtu je uvedena pro dvě subvarianty metodiky postupu. První varianta je uvedena pro venkovní rozvod VN, druhá pro kabelový rozvod VN. Varianty se liší tím, že druhá z nich, i když je postup výpočtu ztrát obdobný, předpokládá jednodušší konfiguraci sítěVN (nepřítomností odboček a přípojek)

3. Výpočet velikosti ztrát činného výkonu v sitích NN. Při použití metodiky uvedené v příloze lze velikost ztrát určit pomocí dvou základních variant metodického postupu. První varianta předpokládá znalost odhadů velikosti odběrů v distribučních stanicích VN v reálném čase a existenci modelu uvažovaného rozvodu. Varianta výpočtu č. 2 má dvě modifikace. První je použitelná pro venkovní rozvod NN, druhá pro kabelový rozvod NN. Metodika postupu a nezbytné vstupní informace jsou uvedeny v Příloze č. 1, vyhlášky č. 153/2001 Sb.

2) Činné ztráty vznikající průchodem proudu vinutím transformátoru – Ztráty transformátorů nakrátko

Uvažují se u transformátorů všech úrovní napětí.

Vznikají ve vinutí transformátoru průchodem proudu. Činné ztráty se vypočtou podle vztahu:

P_{Zt tr} = ∆ P_{k *} (S_s /S_n)² 10^-3 [kW],

kde

∆P_k jmenovité ztráty nakrátko [W]

S_s zdánlivý špičkový výkon transformátoru [kVA]

S_n jmenovitý zdánlivý výkon transformátoru [kVA]

Činné ztráty el. energie za určité sledované období provozu transformátoru T_p se určí dle následujícího vztahu:

W_{ZT TR} = ∆ P^k * (S_s /S_n)² * T_p = ∆P_k * β₂ * T_∆,

kde

T_∆ doba plných ztrát [hod]; je obvykle odvozena z dodané energie, špičkového zatížení a doby provozu zařízení

β zatěžovatel

Při výpočtu ztrát nakrátko i naprázdno v transformátorech s primárním napětím vvn (obvykle v DS nebo LDS jde o 110 kV)…