Jaké jsou druhy energetických ztrát?

Rozdělení ztrát na složky lze provádět podle různých kritérií: povaha ztrát (konstantní, proměnná), napěťové třídy, skupiny prvků, výrobní oddělení atd. Pro účely analýzy a standardizace ztrát je vhodné použít rozšířenou strukturu ztrát elektřiny, ve které jsou ztráty rozděleny na složky na základě jejich fyzikální podstaty a specifických metod stanovení jejich kvantitativních hodnot.

Na základě tohoto přístupu lze skutečné ztráty rozdělit do čtyř složek:

1) technické ztráty elektřiny způsobené fyzikálními procesy probíhajícími při přenosu elektřiny elektrickými sítěmi a vyjádřené přeměnou části elektřiny na teplo v síťových prvcích. Technické ztráty lze teoreticky měřit instalací vhodných přístrojů, které zaznamenávají dodávku a výdej elektřiny v daném zařízení. V praxi je nemožné pomocí měřicích přístrojů odhadnout jejich skutečnou hodnotu s přijatelnou přesností. U jednotlivého prvku se to vysvětluje relativně malou hodnotou ztrát, srovnatelnou s chybou měřicích zařízení. Například měření ztráty vedení, jehož skutečná energetická ztráta je 2 % pomocí přístrojů s přesností ±0,5 %, může vést k výsledku 1,5 až 2,5 %. Pro zařízení, která mají velký počet odběrných a výdejních míst elektřiny (elektrická síť), je instalace speciálních zařízení na všech místech a zajištění synchronního odečítání jejich odečtů prakticky nereálné (zejména pro zjišťování výkonových ztrát). Na všech těchto místech jsou již elektroměry instalovány, ale nemůžeme říci, že rozdíl v jejich odečtech je skutečnou hodnotou technických ztrát. To je způsobeno územním rozptylem mnoha zařízení a nemožností zajistit úplnou kontrolu nad správností jejich odečtů a absencí případů ovlivňování jinými osobami. Rozdíl v odečtech těchto zařízení představuje skutečné ztráty, od kterých by se měla požadovaná součást izolovat. Proto lze tvrdit, že je nemožné měřit technické ztráty na skutečném síťovém zařízení. Jejich hodnotu lze získat pouze výpočtem na základě známých zákonů elektrotechniky;

2) spotřeba elektrické energie v rozvodnách vn, nezbytná pro zajištění provozu technologického zařízení rozvoden a životnosti personálu údržby. Tato spotřeba je evidována měřidly instalovanými na VN transformátorech rozvoden;

3) ztráty elektřiny chybami v jejím měření (podměření elektřiny, metrologické ztráty). Tyto ztráty se získávají výpočtem na základě údajů o metrologických charakteristikách a provozních režimech přístrojů používaných k měření energie (CT, VT a samotné elektroměry). Do výpočtu metrologických ztrát jsou zahrnuta všechna zařízení pro měření dodávky elektřiny ze sítě včetně měřidel pro měření spotřeby elektřiny v rozvodnách VN;

4) obchodní ztráty způsobené krádeží elektřiny, nesrovnalosti mezi odečty elektroměrů a platbami za elektřinu spotřebiteli v domácnostech a další důvody v oblasti organizace kontroly spotřeby energie. Obchodní ztráty nemají nezávislý matematický popis a v důsledku toho je nelze samostatně vypočítat. Jejich hodnota je určena jako rozdíl mezi skutečnými ztrátami a součtem prvních tří složek.

První tři složky rozšířené struktury ztrát jsou určeny technologickými potřebami procesu přenosu elektřiny sítěmi a instrumentálním účtováním jejího příjmu a dodávky. Součet těchto složek dobře vystihuje pojem technologické ztráty. Čtvrtá složka – obchodní ztráty – představuje vliv „lidského faktoru“ a zahrnuje všechny projevy tohoto vlivu: úmyslné odcizení elektřiny některými odběrateli změnou odečtu elektroměrů, spotřebu energie jiná než elektroměry, neplacení nebo neúplné zaplacení elektroměru odečty, stanovení příjmu a dodávky elektřiny na některých měřicích místech výpočtem (pokud se hranice bilance sítí a místa instalace měřicích zařízení neshodují) atd.

Struktura ztrát, ve které jsou zvětšené složky ztrát seskupeny podle různých kritérií, je znázorněna na Obr. 1.1.

Každá ztrátová složka má svou podrobnější strukturu.

Ztráty zatížení zahrnují ztráty:

• v drátech přenosového vedení;
• výkonové transformátory a autotransformátory;
• proud omezující reaktory;
• vysokofrekvenční komunikační bariéry;
• proudové transformátory;
• propojovací vodiče a sběrnice rozváděčů (RU) rozvoden.

Poslední dvě složky jsou z důvodu nedostatečné praxe ve výpočtech po jednotlivých prvcích a jejich nevýznamné hodnoty obvykle stanoveny na základě specifických ztrát vypočtených pro průměrné podmínky a jsou zahrnuty do skladby podmíněně konstantních ztrát.

Struktura skutečných ztrát elektřiny

Ztráty naprázdno zahrnují konstantní (nezávislé na zatížení) ztráty:

• ve výkonových transformátorech (autotransformátorech); kompenzační zařízení (synchronní a tyristorové kompenzátory, kondenzátorové baterie a bočníkové reaktory);
• vybavení systému měření elektřiny (CT, VT, měřiče a propojovací vodiče);
• ventilové pojistky a tlumiče přepětí;
• zařízení pro připojení vysokofrekvenční komunikace (HF komunikace); izolace kabelu.

Ztráty způsobené povětrnostními podmínkami (klimatické ztráty) zahrnují tři složky:

• ztráty korónou v nadzemním elektrickém vedení (OL) 110 kV a více;
• ztráty ze svodových proudů podél izolátorů venkovního vedení;
• spotřeba energie na tání ledu.

Spotřeba elektrické energie v rozvodnách VN je dána provozními režimy různých (až 23) typů napájení. Tyto náklady lze rozdělit do šesti složek:

• pro vytápění prostor;
• větrání a osvětlení prostor;
• řídicí systémy rozvoden a pomocná zařízení synchronních kompenzátorů;
• chlazení a vytápění zařízení;
• obsluha kompresorů vzduchových spínačů a pneumatických pohonů olejových spínačů;
• proudové opravy zařízení, zařízení pro regulaci zátěžového napětí (OLV), lihovary, ventilace uzavřeného rozvaděče (SGD), vytápění a osvětlení průchodu (ostatní spotřeba).

Chyby v měření elektřiny zahrnují součásti způsobené chybami v měřicích transformátorech, transformátorech a elektroměrech. Obchodní ztráty lze také rozdělit do mnoha složek, které se liší důvody jejich vzniku.

Všechny tyto komponenty jsou podrobně diskutovány v následujících kapitolách.

Kritéria pro klasifikaci části elektřiny jako ztrát mohou být fyzické nebo ekonomické povahy. Někteří odborníci se domnívají, že spotřeba elektřiny v rozvodnách VN by měla být přičítána dodávce elektřiny a zbývající složky ztrátám. Spotřeba VN rozvoden z hlediska charakteru využití elektřiny se skutečně neliší od jejího využití spotřebiteli. To však není důvod považovat ji za užitečnou dodávku, kterou se rozumí elektřina dodávaná spotřebitelům. Spotřeba elektřiny v rozvodnách VN je vlastní spotřeba zařízení sítě. Tento přístup navíc nesmyslně předpokládá, že spotřeba části energie v síťových prvcích k dodání její další části spotřebitelům (technické ztráty), na rozdíl od spotřeby rozvoden vn, není užitečná.

Měřicí zařízení nemění toky energie sítí, pouze je přesně nezaznamenávají. Někteří odborníci se proto domnívají, že je teoreticky nesprávné klasifikovat podhodnocení elektřiny v důsledku chyb přístrojů jako ztráty (objem elektřiny se ostatně nemění podle toho, jak jej přístroje zaznamenávají!).

S teoretickou správností takových úvah a zároveň s jejich praktickou zbytečností lze souhlasit. Stanovit strukturu ztrát nás nenutí věda (pro vědecký výzkum mají smysl všechny přístupy), ale ekonomika. Proto by pro analýzu vykázaných ztrát měla být použita ekonomická kritéria. Z ekonomického hlediska jsou ztráty ta část elektřiny, u které se její evidovaná užitečná dodávka spotřebitelům ukázala být menší než elektřina přijatá sítí od výrobců elektřiny. Užitečnou dodávkou elektřiny se rozumí nejen elektřina, za kterou byly peníze skutečně přijaty na běžný účet organizace zásobování energií, ale i ta, za kterou jsou vystaveny faktury, tedy evidována spotřeba energie. Vyúčtování je praxe uplatňovaná u právnických osob, jejichž spotřeba energie je evidována na měsíční bázi. Naproti tomu měsíční odečty měřičů, které zaznamenávají spotřebu energie v domácnostech, jsou obvykle neznámé. Užitečná dodávka elektřiny bytovým odběratelům je dána přijatou platbou za měsíc, takže veškerá nezaplacená energie automaticky spadá do ztrát.

Spotřeba elektřiny v rozvodnách VN není produktem hrazeným konečným spotřebitelem a z ekonomického hlediska se neliší od spotřeby elektřiny v síťových prvcích pro přenos jejího zbytku ke spotřebitelům.

Podcenění objemů užitečné elektřiny dodávané měřicími zařízeními (podměření) má stejnou ekonomickou povahu jako dvě výše popsané složky. Totéž lze říci o krádežích elektřiny. Všechny čtyři výše popsané složky ztrát jsou tedy z ekonomického hlediska stejné.

Skutečné ztráty jsou přísně deterministickou hodnotou, úzce souvisí s finančními prostředky získanými za prodanou energii. Úkol „opravovat“ nahlášené ztráty na základě účtování chyb měřidel je nesmyslný, protože nemůže vést ke změně výše přijatých (a nepřijatých) peněz.

Ztracený rubl zůstává ztracen bez ohledu na to, z jakého důvodu nebo kde byl ztracen. Ale abyste mohli přijmout nejúčinnější opatření ke snížení ztrát, musíte vědět, kde a z jakých důvodů k nim dochází. V tomto ohledu je hlavním úkolem výpočtu a analýzy ztrát stanovit jejich detailní strukturu, identifikovat konkrétní oblasti ztrát a posoudit možnosti jejich snížení na ekonomicky odůvodnitelné hodnoty. Jednou z metod takové diagnostiky ztrát je analýza elektrické nerovnováhy na zařízeních (rozvodny, síťové podniky) a v síťových organizacích.

Elektřina je základním kamenem moderní civilizace, pohání vše od domácích spotřebičů po průmyslové spotřebitele. Jeho přenos od elektráren ke konečným spotřebitelům však provázejí ztráty. Ztráty nejen zvyšují celkové náklady na energii, ale ovlivňují také účinnost a spolehlivost dodávky elektřiny.

Tento článek poskytuje stručný přehled hlavních typů ztrát při přenosu energie, jejich klasifikaci a vliv na účinnost napájení. Jeho cílem je zvýšit povědomí o důležitosti těchto problémů a o tom, jak je řešit.

Technické ztráty

Přenosové ztráty se týkají ztrát, ke kterým dochází během přepravy elektrické energie podél elektrického vedení. Tyto ztráty představují rozdíl mezi množstvím elektřiny dodané do sítě a skutečně spotřebovanou elektřinou. Dělí se na ztráty technické a netechnické (obchodní).

Technické ztráty při přenosu elektřiny jsou nevyhnutelným jevem způsobeným řadou fyzikálních procesů.

Druhy technických ztrát:

• Ztráty z korony vznikají v důsledku ionizace vzduchu kolem vodiče při vysokém napětí, což vede k úniku proudu vzduchovou mezerou.
• Svodové proudy – Jedná se o proudy, které „unikají“ izolací nebo po povrchu izolátorů, zejména ve venkovních vedeních, kde jsou vystaveny atmosférickým podmínkám.
• Dielektrické ztráty kabelu jsou spojeny s nedokonalostí izolačních materiálů, které při průchodu proudu částečně přeměňují elektrickou energii na teplo.
• Ztráty joulů je teplo generované ve vodičích, kabelech a transformátorech v důsledku jejich odporu vůči proudu. Jsou úměrné druhé mocnině proudu a odporu vodiče.
• Ztráty transformátoru naprázdno – jedná se o ztráty, ke kterým dochází v transformátoru i bez zátěže v důsledku magnetických ztrát v jádře a ztrát vířivými proudy.
• Ztráty v měřicích, regulačních a spojovacích prvcích zahrnují ztráty spojené s provozem pomocných zařízení nezbytných pro provoz přenosové soustavy.
• Vlastní spotřeba elektráren se vztahuje na elektřinu, kterou samotné elektrárny využívají k jejich provozu, včetně osvětlení, vytápění, hnacího zařízení atd.

Tyto ztráty souhrnně ovlivňují účinnost elektrizační přenosové soustavy a jsou předmětem neustálého studia a optimalizace v energetice. Snížení technických ztrát zlepšuje účinnost a spolehlivost napájení a také snižuje provozní náklady.

Technické ztráty v elektrizační přenosové soustavě lze klasifikovat podle místa jejich vzniku a také podle charakteru jejich projevu. Podívejme se na jednotlivé kategorie podrobněji:

• Transformační ztráty – Jedná se o energetické ztráty, ke kterým dochází v transformátorech při přeměně napětí z jedné úrovně na druhou. Tyto ztráty spadají do dvou hlavních kategorií: ztráty naprázdno a ztráty nakrátko.
• Ztráty vodičů kvůli odporu materiálu vodiče. Když proud prochází vodičem, část elektrické energie se přemění na teplo, což vede ke ztrátě výkonu.
• Dodatečné ztráty zahrnují různé faktory, jako je nedokonalá izolace, kompenzace jalového výkonu a další technické nedostatky, které mohou vést k dalším ztrátám v systému.

Efektivní řízení a minimalizace technických ztrát jsou klíčem ke zlepšení účinnosti energetického systému, snížení nákladů a zajištění spolehlivého zásobování spotřebitelů energií. Moderní technologie a způsoby správy sítí umožňují optimalizovat tyto ztráty a zlepšit ekonomickou výkonnost energetických společností.

Technologie, jako jsou automatizované řídicí a dispečerské systémy, umožňují sledovat stav sítě v reálném čase, rychle reagovat na změny zátěže a předcházet nouzovým situacím.

Použití moderních materiálů a zařízení s vysokou účinností snižuje fyzické ztráty v přenosových vedeních.

To vše dohromady vytváří flexibilnější a adaptabilnější energetický systém, který se dokáže efektivně vypořádat se současnými i budoucími výzvami.

Ztráty transformátorů

Ztráty naprázdno se vyskytují, i když transformátor není zatížen, to znamená, že k jeho sekundárnímu vinutí není připojena žádná zátěž. Tyto ztráty jsou způsobeny hlavně magnetickými ztrátami v jádru transformátoru, které zahrnují:

• Ztráta hystereze: Když se magnetické pole v jádru transformátoru cyklicky mění, molekuly kovu jádra se přeorientují, což způsobuje vnitřní tření a teplo.
• Ztráty vířivými proudy: Měnící se magnetické pole indukuje proudy v samotném jádru, které cirkulují v uzavřených drahách a vytvářejí teplo díky odporu materiálu jádra.

Vzorec pro výpočet ztrát naprázdno:

kde (P_xx — ztráty naprázdno, U _xx — napětí naprázdno, I_xx je proud naprázdno a cos(fihh) je účiník při chodu naprázdno.

Ztráty zkratem dojít v důsledku odporu vinutí transformátoru, když je pod zatížením. Tyto ztráty jsou úměrné druhé mocnině proudu procházejícího vinutím a odporu těchto vinutí. Říká se jim zkratové ztráty, protože je lze měřit, když jsou sekundární vinutí transformátoru zkratována a transformátor je testován při jmenovitém proudu.

Vzorec pro výpočet zkratových ztrát:

kde P_кз — zkratové ztráty, I _кз je zkratový proud a R_кз – odpor vinutí při zkratu.

Obě kategorie ztrát je důležité vzít v úvahu při navrhování transformátorů a napájecích systémů, protože ovlivňují účinnost a hospodárnost transformátoru.

Snížení těchto ztrát lze dosáhnout použitím materiálů s lepšími magnetickými vlastnostmi pro magnetické jádro, optimalizací konstrukce vinutí a zlepšením kvality izolace.

Použití moderních metod odvodu tepla a chlazení navíc může výrazně snížit energetické ztráty spojené s přehříváním zařízení.

Vývoj a implementace inteligentních monitorovacích a diagnostických systémů umožňuje včasnou identifikaci a prevenci možných poruch, což také pomáhá snižovat ztráty.

Významnou roli hraje i zvyšování kvalifikace personálu zajišťujícího obsluhu a údržbu transformátorů, což přímo ovlivňuje jejich spolehlivost a životnost. Všechna tato opatření společně směřují k optimalizaci provozu transformátorů a zvýšení účinnosti elektrizační soustavy jako celku.

Ztráty při přenosu a distribuci elektřiny

V distribuci elektřiny se technické ztráty dělí na dva hlavní typy:

• Neustálé ztráty určeno konstrukcí a parametry používaného zařízení. Tyto ztráty jsou nezávislé na zátěži a jsou vždy přítomny, i když je systém v pohotovostním nebo klidovém režimu.
• Variabilní ztráty závisí na množství přenášeného výkonu a zatížení systému. Zvyšují se s růstem přenášeného výkonu a mohou se měnit v závislosti na denní době, ročním období a dalších faktorech ovlivňujících spotřebu elektřiny.

Když elektrický proud prochází vodičem, část elektrické energie se přemění na tepelnou energii v důsledku odporu materiálu. Tento jev je známý jako ztráta napájení a je označen symbolem (P_z).

Pro stejnosměrný proud se velikost ztráty výkonu vypočítá podle vzorce:

P_z= U x I = R x I 2,

kde U je úbytek napětí na vodiči ve voltech, I je proud v ampérech procházející vodičem a R je odpor vodiče v ohmech.

V případě střídavého proudu se používá koncept celkového odporu (neboli impedance) (Z), který zohledňuje nejen odpor, ale také jalové složky jako indukčnost a kapacita.

Ztráta výkonu pro AC je vyjádřena jako:

Ke ztrátám záření dochází na velmi dlouhých přenosových vedeních, které fungují jako antény, vysílající elektromagnetické vlny o frekvenci 50 Hz. To vede ke ztrátě energie ve formě záření do okolního prostoru. Někdy se ke snížení takových ztrát používá stejnosměrný proud.

Snížení ztrát v elektrických vedeních se dosahuje různými metodami. Jedním ze způsobů je snížení odporu vedení, což lze provést zkrácením délky vedení, zvětšením průřezu vodičů nebo použitím materiálů s nižším odporem.

Další metodou je snížení proudu ve vedení, čehož se dosáhne zvýšením přenosového napětí. Tím se sníží proud při stejném přenášeném výkonu, protože výkon P souvisí s proudem I a napětím U v poměru:

Takže zvýšením napětí U pro udržení stejného výkonu P lze snížit proud I, což vede ke snížení ztrát výkonu P_z.

Toto je princip použití vysokonapěťových přenosových vedení na dlouhé vzdálenosti.

Přehled nejnovějších technologií v oblasti nadzemních a kabelových přenosových vedení a analýza budoucích směrů vývoje přenosu elektrické energie včetně vysokofrekvenčních vlnovodů a regulace silových vedení: Technologický pokrok v oblasti přenosu energie, moderní vzdušné a kabelové napájení linky

Netechnické ztráty

Netechnické ztráty jsou ztráty elektřiny, které nejsou spojeny s fyzickými přenosovými procesy, ale jsou způsobeny administrativními, obchodními a jinými faktory.

Druhy netechnických ztrát:

• Neomezené paušální plány – Jedná se o tarifní plány, ve kterých spotřebitelé platí pevnou částku bez ohledu na skutečnou spotřebu elektřiny. To může vést ke ztrátám pro energetické společnosti, pokud je spotřeba vyšší, než se očekávalo.
• Chyby měření – jedná se o nepřesnosti v činnosti elektroměrů, které mohou být způsobeny nesprávnou kalibrací, opotřebením zařízení nebo vnějšími vlivy.
• Chyby účtování – jedná se o lidský faktor nebo systémové chyby, které vedou k nesprávnému výpočtu plateb za spotřebovanou elektřinu.
• Nesprávné připojení přístroje – jedná se o technické chyby při instalaci měřidel, které mohou vést k nesprávnému měření spotřeby.
• Spotřeba pod hranicí citlivosti měřidel – jedná se o situace, kdy malá zatížení nejsou evidována měřidly z důvodu jejich technických omezení.
• Neoprávněná spotřeba – jedná se o odběr elektřiny bez povolení nebo obcházení elektroměrů, což je pro energetické společnosti přímá ztráta.
• Další blíže nespecifikované ztráty – jedná se o různé nezaúčtované ztráty, které mohou vzniknout z různých důvodů, včetně technických problémů.

Řízení a minimalizace netechnických ztrát vyžaduje komplexní přístup, včetně zlepšování systémů měření, zvyšování přesnosti měření, optimalizace procesů účtování a boje proti krádežím elektrických zařízení. To umožňuje energetickým společnostem snížit finanční ztráty a zlepšit celkovou účinnost napájecího systému.

Snižování technických i netechnických ztrát je důležitým úkolem energetických společností. Efektivní řízení a minimalizace ztrát nejen snižuje náklady, ale také zvyšuje spolehlivost napájení. Klíčovou roli při dosahování těchto cílů hrají moderní technologie a techniky správy sítě.

Například použití inteligentních systémů měření energie a automatizovaných systémů řízení distribuce energie může výrazně zlepšit sledování a kontrolu spotřeby energie. Analýzy velkých dat a strojové učení mohou předvídat a optimalizovat zatížení sítě, což vede k efektivnější alokaci zdrojů a snížení pravděpodobnosti katastrof.

Všechna tato opatření společně pomáhají nejen snižovat ztráty, ale také podporují udržitelný rozvoj energetiky.

Telegramový kanál pro ty, kteří se chtějí každý den učit nové a zajímavé věci: Škola pro elektrikáře