Spadki napięć oraz straty mocy w liniach elektroenergetycznych

Spadek napięcia elektrycznego oraz strata mocy w liniach elektroenergetycznych są zjawiskami powszechnymi i normalnymi. Są one związane z przepływem prądu przez poszczególne elementy sieci. Czym są i jakie są ich źródła?

Podstawowe definicje

Spadek napięcia elektrycznego można zdefiniować jako różnicę pomiędzy dwoma punktami sieci, np. początkiem i końcem linii energetycznej. W praktyce najczęściej jest to po prostu zmniejszenie wartości skutecznej napięcia pomiędzy początkowym a końcowym punktem pomiaru (chociaż możliwy jest także ujemny spadek napięcia elektrycznego, co nominalnie oznacza jego wzrost).

Strata napięcia w liniach elektroenergetycznych wyrażana jest z kolei jako geometryczna różnica pomiędzy wartościami skutecznych wektorów napięć w dwóch punktach sieci, np. na początku i na końcu linii. Jeżeli chodzi o napowietrzne linie elektroenergetyczne, np. linie średniego napięcia, to straty napięciowe wynikają w nich z przepływu prądu poprzecznego po powierzchni izolatorów oraz przepływu prądu pomiędzy fazami.

Straty mocy w liniach elektroenergetycznych dzielimy na 2 rodzaje:

• straty obciążeniowe, które są zależne od obciążenia i powstają w elementach podłużnych toru przesyłowego
• straty jałowe, które są praktycznie niezależne od obciążenia i powstają w admitancjach poprzecznych toru przesyłowego

Minimalizowanie strat mocy czynnej polega na dążeniu do sytuacji, w której współczynnik mocy odbiorców energii jest jak najbardziej bliski jedności, a przesyłanie mocy odbywa się przy odpowiednio wysokim napięciu.

Spadek napięcia elektrycznego w przepisach

Wartości dopuszczalne spadku napięcia elektrycznego w sieci elektroenergetycznej są regulowane przez odpowiednie przepisy i zostały zawarte w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego. Jak wynika z lektury rozporządzenia:

Dla odbiorców I i II grupy przyłączeniowej: w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń:

• ±10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 110 kV i 220 kV
• +5% / –10% napięcia znamionowego dla sieci o napięciu znamionowym 400 kV

Dla odbiorców grupy przyłączeniowej od III do V: w każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń ±10% napięcia znamionowego.

W celu dostarczania odbiorcom energii o właściwym poziomie napięcia należy dążyć do ograniczenia spadku napięcia w liniach i instalacjach elektrycznych do możliwego minimum. Wartości napięcia bardzo mocno wpływają bowiem na parametry sieci i urządzeń elektrycznych.

Źródła strat w transformatorach

Jednym z wyzwań, przed jakim stoi elektroenergetyka jest minimalizacja strat mocy w transformatorach. W tym celu konieczne jest dokonanie pomiaru strat. Można wykorzystać w tym procesie badania termowizyjne z użyciem kamery, pozwalającej uwidocznić różnice w temperaturach poszczególnych elementów stacji transformatorowej.

Negatywny wpływ na pracę transformatorów i zasilanych z nich odbiorników energii ma odkształcenie napięcia, które powoduje zwiększenie strat mocy w uzwojeniach, a także zwiększenie strat dodatkowych od prądów wirowych w uzwojeniach i częściach metalowych transformatorów olejowych. Straty mocy w transformatorach przejawiają się zwiększonym wydzielaniem ciepła i wzrostem temperatury jego pracy, co może negatywnie wpływać na okres eksploatacji transformatora czy stan izolacji.

W przypadku transformatorów wyróżnia się dwa rodzaje strat energii: straty w uzwojeniach – uzależnione od obciążenia transformatora oraz straty w rdzeniu – niezależne od obciążenia. Najczęściej głównym czynnikiem odpowiedzialnym za straty w transformatorze są straty w jego rdzeniu. Sposobem na ograniczenie tych strat są zmiany w projektowaniu rdzeni magnetycznych i uzwojeń transformatorów.

Stabilizacja sieci zasilanych z OZE

Współczesna elektroenergetyka rozwija się w dużym stopniu w oparciu o odnawialne źródła energii. Straty mocy i spadek napięcia dotyczy również systemów elektroenergetycznych OZE. Jednym z rozwiązań pozwalających na stabilizowanie sieci zasilanych z OZE jest magazyn energii elektrycznej.

Potencjalnym problemem w przypadku energii z odnawialnych źródeł przy dużej liczbie instalacji prosumenckich są kwestie związane z wartością napięcia, w szczególności w okresach wzmożonej produkcji energii, co może wywoływać spadki napięcia. W celu stabilizacji jego wartości, a dzięki temu efektywniejszego wykorzystania energii wyprodukowanej ze źródeł odnawialnych, można wykorzystać magazyny energii elektrycznej. Mają one zastosowanie zarówno w skali mikro, jak i marko. Przyczyniają się do bilansowania sieci energetycznej, zwiększają jej elastyczność, niwelują ryzyko przerw w dostawach, a w przypadku awarii mogą stanowić dodatkowe, awaryjne źródło zasilania. Magazyny energii mogą być zatem jednym z narzędzi służących ograniczaniu strat mocy w systemie elektroenergetycznym.