Потери электроэнергии в сетях: виды, причины, расчет и способы снижения

Эффективность работы любой системы электроснабжения напрямую связана с минимизацией непроизводительных расходов энергии. Понимание природы этих потерь требует рассмотрения самой структуры сети, которая состоит из множества элементов, каждый из которых вносит свой вклад в общие издержки. Сюда же относятся затраты на работу вспомогательного оборудования подстанций. Таким образом, полностью избежать потерь в электрических цепях — задача практически невыполнимая, но их можно и нужно контролировать и сокращать.

Виды и структура потерь

На изображении показана примерная структура потерь.

С точки зрения энергетики, потери в электросетях — это разница между количеством электроэнергии, отпущенной в сеть поставщиком, и тем объемом, который фактически оплачивают конечные потребители. Для систематизации учета и нормирования была разработана следующая классификация:

• Технологические (технические) потери, обусловленные физическими процессами при передаче и трансформации энергии.
• Эксплуатационные или коммерческие потери, связанные с погрешностями учета, ошибками в расчетах и хищениями.
• Фактические (суммарные) потери, представляющие собой общий объем непроизводительных расходов.

Технологические потери возникают из-за физических законов: рассеивание энергии в проводах в виде тепла (джоулевы потери), потери на корону в высоковольтных линиях, затраты энергии на перемагничивание сердечников трансформаторов. Сюда же относится электроэнергия, потребляемая для собственных нужд подстанций (освещение, вентиляция, системы управления).

Коммерческие потери в основном связаны с человеческим фактором и состоянием приборов учета. Это погрешности счетчиков, ошибки при снятии показаний, неучтенные подключения и прямое хищение электроэнергии.

Исследования показывают, что наибольшая доля потерь (до 64%) приходится на процесс передачи по высоковольтным линиям электропередачи (ЛЭП).

На фото — визуализация коронного разряда на линии ЛЭП, являющегося одной из причин потерь.

Значительную часть составляют потери на коронный разряд (ионизацию воздуха вокруг проводов), которые могут достигать 17%. Фактические потери определяются как разница между отпущенной и полезно потребленной энергией. Хотя для грубой оценки иногда просто складывают технологическую и коммерческую составляющие, точный расчет ведется по специальной методике.

Согласно этой методике, фактический объем потерь (ΔW) равен притоку энергии в сеть (W_пост) за вычетом следующих составляющих:

• Энергия, полученная и оплаченная потребителями (W_потр).
• Энергия, переданная в смежные сети (перетоки, W_пер).
• Энергия, израсходованная на собственные нужды подстанций (W_сн).

Формула для расчета относительных потерь в процентах выглядит так: ΔW% = [ (W_пост — W_потр — W_пер — W_сн) / (W_пост — W_пер — W_сн) ] * 100%. Для получения абсолютного значения в киловатт-часах используется только числитель этой дроби.

Что такое нагрузка без потерь и перетоки?

В формуле фигурирует понятие «нагрузка без потерь». К ней относятся, например, перетоки электроэнергии из одной энергосистемы в другую. Учет таких объемов ведется отдельными, обычно более точными, приборами на стыке сетей. Это удобно для расчетов, так как позволяет исключить из формулы потери, связанные с простой передачей энергии «транзитом».

Затраты на собственные нужды подстанций

Схема, иллюстрирующая потери в силовых трансформаторах подстанции.

Энергия на собственные нужды — это особая статья фактических потерь. Она тратится на обеспечение работы всего оборудования подстанции и прилегающей инфраструктуры:

• Силовые трансформаторы и распределительные устройства.
• Административные и вспомогательные здания.

Наибольший вклад вносят крупные районные подстанции, где сосредоточено основное преобразующее и распределительное оборудование.

Пример технологического помещения — зарядная для аккумуляторных батарей на подстанции.

Для учета этих затрат на подстанциях устанавливаются отдельные счетчики. Основные потребители в этой категории:

• Системы принудительного охлаждения трансформаторов.
• Отопление, вентиляция и освещение технологических помещений.
• Наружное освещение территории подстанции.
• Оборудование для зарядки аккумуляторных батарей (АКБ), питающих системы аварийного управления.
• Системы обогрева приводов воздушных выключателей в зимний период.
• Компрессорные установки и прочее вспомогательное оборудование.

Сюда же можно отнести энергозатраты на проведение ремонтных и восстановительных работ.

Коммерческая составляющая потерь

Отсутствие должного контроля за приборами учета открывает возможности для хищений.

Коммерческие потери напрямую связаны с точностью учета и добросовестностью потребителей. Ключевой фактор — погрешность бытовых и промышленных счетчиков. Для снижения этих потерь применяются различные меры: поверка приборов, установка современных моделей, автоматизация сбора данных.

К коммерческим потерям также относятся:

• Ошибки в биллинге: неверные данные о потребителе в договоре, неправильный тариф, ошибки при корректировке счетов, отсутствие своевременного контроля показаний (частая проблема в СНТ и дачных кооперативах).
• Хищения электроэнергии: несанкционированные подключения, вмешательство в работу счетчиков.

Вопросы, связанные с определением границ балансовой принадлежности и ответственности, решаются в соответствии с законодательством РФ. Проблема хищений остается актуальной во всем мире. Пик таких нарушений традиционно приходится на зимний период в регионах с проблемным теплоснабжением, что подчеркивает взаимосвязь между различными видами энергоресурсов.

Физические причины утечек электроэнергии

Значительная часть энергии в трансформаторе рассеивается в виде тепла.

Для грамотного расчета и снижения потерь необходимо понимать их физическую природу. Основные источники технологических потерь:

• Силовые трансформаторы. Потери делятся на постоянные (в стали сердечника при перемагничивании) и переменные (в меди обмоток при нагрузке).
• Линии электропередачи (кабельные и воздушные). Потери возникают из-за нагрева проводов током (закон Джоуля-Ленца) и на коронный разряд (для ВЛ высокого напряжения).
• Коммутационное и измерительное оборудование. Потери в контактах выключателей, разъединителей, измерительных трансформаторах.

Режим работы сети сильно влияет на величину потерь. Постоянные потери (например, в трансформаторах на холостом ходу) не зависят от нагрузки. Переменные потери прямо пропорциональны квадрату тока нагрузки, поэтому их величина меняется в течение суток и сезона. Для оценки переменных потерь необходим анализ графиков нагрузки за продолжительный период (месяц, год).

Нормативный показатель потерь

Норматив потерь — это экономически и технически обоснованная величина, утверждаемая для сетевой компании на определенный период. При его расчете детально анализируются все составляющие: технические потери для каждого элемента сети в разных режимах, прогнозируемые коммерческие потери, расход на собственные нужды.

Этот показатель не является постоянным. Он регулярно пересматривается с учетом модернизации сетей, изменения нагрузки и внедрения новых технологий учета. Абсолютные нормативные потери определяются как разница между отпущенной в сеть мощностью и полезным отпуском с учетом утвержденных формул для переменных потерь.

Кто оплачивает потери в сетях?

Ответ на этот вопрос зависит от типа потерь.

• Технологические потери оплачиваются всеми потребителями опосредованно, так как их стоимость закладывается в тариф на передачу электроэнергии. Таким образом, платя по счетам, потребители возмещают сетевой компании эти неизбежные затраты.
• Коммерческие потери, превышающие утвержденный норматив, ложатся на саму сетевую компанию. Это стимулирует ее к борьбе с хищениями и повышению точности учета.

Как можно снизить потери электроэнергии?

Сокращение потерь — комплексная задача, требующая действий по всем направлениям.

Меры по снижению технологических потерь:

• Оптимизация схем и режимов работы электрических сетей для снижения нагрузочных токов.
• Анализ графиков нагрузки и выравнивание их путем перераспределения потребителей.
• Компенсация реактивной мощности (установка конденсаторных батарей), что снижает ток в линиях.
• Замена проводов на большее сечение, применение проводов с низким сопротивлением.
• Модернизация трансформаторного парка на более энергоэффективные модели (например, с аморфным сердечником).
• Применение регулируемых трансформаторов для поддержания оптимального уровня напряжения.

Меры по снижению коммерческих потерь:

• Массовая установка современных интеллектуальных приборов учета (АИИС КУЭ), позволяющих дистанционно снимать показания и выявлять несанкционированное вмешательство.
• Регулярные инспекционные проверки и обходы потребителей.
• Автоматизация биллинговых систем для минимизации человеческих ошибок.
• Правовая и техническая работа по пресечению хищений.

Методики и пример расчета потерь

На практике используются различные методы расчета, выбор которых зависит от имеющихся данных и требуемой точности:

• Оперативный расчет (по данным о потерях напряжения).
• Расчет по среднесуточным нагрузкам.
• Расчет по максимальной нагрузке за период.
• Метод обобщенных характеристик.

Детальные официальные методики изложены в нормативных документах, таких как «Методика расчета нормативов технологических потерь электроэнергии…».

Пример таблицы для расчета потерь в силовом трансформаторе.

Пример упрощенного оперативного расчета для фидера 0.4 кВ:
Допустим, необходимо оценить потери в линии, питающейся от трансформаторной подстанции (ТП) 6-20/0.4 кВ. Измерения показали, что относительная потеря напряжения (ΔU) в самой удаленной точке при максимальной нагрузке составила 8%.

Используется формула: W% = 0.7 * K_н * ΔU * t / T, где:

• K_н — коэффициент неравномерности нагрузки по фазам (принимается, например, 1.05).
• ΔU = 8%.
• T — период учета, например, 720 часов (30 дней).
• t — время максимальных потерь (определяется по графику нагрузки, пусть 300 часов).

Подставляем значения: W% = 0.7 * 1.05 * 8 * 300 / 720 ≈ 2.45%.
Это означает, что за рассматриваемый месяц технологические потери в этой линии составят около 2.45% от отпущенной в нее энергии.

Для более точных и сложных расчетов (потерь в трансформаторах, ВЛ) используются специализированные таблицы, формулы и программное обеспечение, многие из которых доступны в виде онлайн-калькуляторов.