eng
Содержание
Содержание
Список участников 17
Введение . 19
Предисловие 21
Глава 1. ОБЗОР СТАНДАРТОВ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ
Франко Буа и Анджело Баггини 23
1.1.
Стандартизация . 26
1.1.1.
Стандарты ISO . 27
1.1.1.1.
Стандарт ISO 50001 27
1.1.1.2.
Совместный проектный комитет 2 ISO/IEC
(англ. ISO/IEC JPC 2) . 28
1.1.2.
Международная электротехническая комиссия (англ. IEC) 28
1.1.2.1.
Исследовательская группа № 1
«Энергетическая эффективность
и возобновляемые источники энергии» 29
1.1.2.2.
Исследовательская группа № 3
«Интеллектуальные электрические сети» 29
1.1.2.3.
Исследовательская группа № 4.
«Сети электрические распределительные
низковольтные напряжением до 1500 В
постоянного тока» . 30
1.1.3.
Европейский комитет по стандартизации
(фр. Comité Européen de Normalisation, CEN)
и Европейский комитет электротехнической стандартизации
(фр. Comité Européen de Normalisation Électrotechnique) 30
1.1.3.1.
Консультационный комитет
по вопросам энергетического менеджмента
(англ. Sector Forum Energy Management, SFEM) 32
Дополнительные материалы . 32
Глава 2. КАБЕЛИ И ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Паола Пеццини и Андреас Сампер 33
2.1.
Теория теплопередачи 34
2.1.1.
Теплопроводность . 34
2.1.2.
Конвекция 34
2.1.3.
Излучение . 35
2.2.
Номинальный ток кабелей воздушной прокладки 36
2.3.
Экономические аспекты 40
2.4.
Расчет номинального тока: суммарные затраты 41
2.4.1.
Определение CJ . 41
2.5.
Определение экономически оптимального сечения проводника . 43
2.5.1.
Диапазон экономически оптимальных токов
для каждого проводника в линейке сечений 43
2.5.2.
Экономически оптимальное сечение проводника
для заданной нагрузки 43
2.6.
Выводы 44
Список литературы . 44
Глава 3. СИЛОВЫЕ ТРАНСФОРМАТОРЫ
Роман Таргос, Штефан Фассбиндер и Анджело Баггини . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.1.
Потери в трансформаторах 49
3.1.1.
Потери холостого хода 49
3.1.2.
Нагрузочные потери . 50
3.1.3.
Потери во вспомогательном оборудовании 50
3.1.4.
Дополнительные потери вследствие наличия
высших гармоник, несимметрии и реактивной мощности 51
3.1.4.1.
Высшие гармоники . 52
3.1.4.2.
Искажение синусоидального тока 52
3.1.4.3.
Искажение напряжения . 54
3.1.4.4.
Снижение дополнительных гармонических потерь 56
3.1.4.5.
Несимметрия 56
3.2.
Коэффициент полезного действия и коэффициент нагрузки . 57
3.3.
Потери и система охлаждения 59
3.4.
Стандарты и нормативы энергоэффективности 60
3.4.1.
Стандарты MEPS . 65
3.4.2.
Обязательная маркировка . 66
3.4.3.
Добровольные программы . 66
3.5.
Определение затрат за весь срок службы 70
3.5.1.
Затраты за весь срок службы трансформатора . 70
3.5.2.
Детальное рассмотрение 74
3.6.
Разработка, материалы и изготовление . 78
3.6.1.
Сердечник . 79
3.6.1.1.
Холоднокатаная текстурированная сталь
с направленной кристаллизацией и сталь
с высокой магнитной проницаемостью (HiB) 80
3.6.1.2.
Аморфная сталь . 83
3.6.2.
Обмотки 84
3.6.2.1.
Сверхпроводимость (высокотемпературная, ВТСП) 85
3.6.3.
Другие разработки . 87
3.6.3.1.
Трансформаторы с газовой изоляцией 87
3.7.
Ситуационный анализ: оценка общих эксплуатационных
расходов (TOC) промышленного трансформатора . 88
3.7.1.
Методика 89
3.7.2.
Результаты . 91
Справочная литература 93
Дополнительные материалы . 93
3.
A. Приложение . 94
3.
A.1. Некоторые стандарты MEPS . 94
3.
A.1.1. Австралия 94
3.
A.1.2. США . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.
A.1.3. Европа . 98
3.
A.1.3.1. Европейский стандарт EN 50464-1,
с жидким наполнением 98
3.
A.1.3.2. Европейский стандарт EN 50541-1, сухой тип . 100
3.
A.1.3.3. Проекты европейских стандартов MEPS 101
3.
A.1.4. Формулы для оценки потерь — американские
и европейские 102
Глава 4. СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ, КОНТРОЛЯ
И УПРАВЛЕНИЯ ЗДАНИЯМИ
Анджело Баггини и Анналиса Марра 105
4.1.
Функции автоматизации для экономии энергии 106
4.1.1.
Контроль температуры . 107
4.1.2.
Освещение 108
4.1.3.
Приводы и двигатели 109
4.1.4.
Технические предупредительные сигналы и управление . 110
4.1.5.
Дистанционное управление 110
4.2.
Системы автоматизации 110
4.2.1.
Системы KNX 112
4.2.1.1.
Архитектура 112
4.2.1.2.
Среда передачи . 115
4.2.1.3.
Питающая линия . 115
4.2.1.4.
Радиоволны 115
4.2.1.5.
Протокол Ethernet 116
4.2.1.6.
Конфигурация 116
4.2.2.
Системы SCADA 117
4.2.2.1.
Человеко-машинный интерфейс 119
4.2.2.2.
Дистанционный терминал (RTU) . 120
4.2.2.3.
Управляющая станция 121
4.2.2.4.
Коммуникационная инфраструктура и методы . 121
4.3.
Собственное энергопотребление устройств автоматизации . 122
4.4.
Основные схемы 123
4.4.1.
Отопление и охлаждение . 123
4.4.1.1.
Автоматическое управление каждым помещением
в отдельности посредством термостатически
регулируемых клапанов или электронного регулятора . 123
4.4.1.2.
Регулировка температуры воды
с коррекцией температуры подачи
в зависимости от температуры наружного воздуха 124
4.4.1.3.
Управление включением/выключением
распределительного насоса 125
4.4.1.4.
Функция автоматического управления
с программой установленной продолжительности 126
4.4.1.5.
Частичная блокировка (в зависимости
от системы ОВК) 127
4.4.1.6.
Функция автоматического управления
любым помещением с коммуникацией
между регуляторами и системной шиной 128
4.4.1.7.
Регулировка внутренней температуры . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
4.4.1.8.
Управление распределительными насосами
с частотно-регулируемым приводом
при постоянной величине ΔP 129
4.4.1.9.
Автоматическое управление
с оптимизированным запуском/остановом 130
4.4.1.10.
Функция интегрированного управления
всеми помещениями посредством обработки запросов
(например, о наличии людей, качестве воздуха и т.п.) . 131
4.4.1.11.
Функция полной блокировки . 132
4.4.2.
Вентиляция и кондиционирование воздуха . 132
4.4.2.1.
Управление по времени 132
4.4.2.2.
Управление включением/отключением по времени . 133
4.4.2.3.
Управление процессом оттаивания в рекуператоре тепла . 134
4.4.2.4.
Функция управления процедурой рекуперации 135
4.4.2.5.
Ночное охлаждение . 136
4.4.2.6.
Управление с постоянным заданным значением . 137
4.4.2.7.
Ограничение влажности в потоке воздуха . 138
4.4.2.8.
Автоматический контроль давления или расхода 139
4.4.2.9.
Естественное охлаждение 140
4.4.2.10.
Регулирование заданной температуры в зависимости
от температуры окружающей среды . 141
4.4.2.11.
Функция регулировки влажности потока воздуха . 142
4.4.2.12.
Функция управления с учетом присутствия . 143
4.4.2.13.
Функция управления с заданным значением
в зависимости от нагрузки . 144
4.4.3.
Освещение 145
4.4.3.1.
Функция ручного включения
и автоматического отключения . 145
4.4.3.2.
Функция ручного управления питанием
и автоматическое включение/уменьшение/
отключение с учетом присутствия 146
4.4.3.3.
Моторизованное управление
с автоматическим контролем электроприводов
солнцезащитных жалюзи . 146
4.4.3.4.
Автоматическая функция управления
дневным освещением . 147
4.4.4.
Солнцезащитные жалюзи 148
4.4.4.1.
Функция комбинированного управления
освещением/жалюзи/системой ОВК . 148
4.4.5.
Управление производственными зданиями . 149
4.4.5.1.
Функция централизованного управления . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
4.4.6.
Технические установки в здании 150
4.4.6.1.
Функция обнаружения неисправностей, диагностики
и обеспечения технической поддержки . 150
4.4.6.2.
Функция формирования отчета об энергопотреблении,
внутренних условиях и возможностях для улучшения 151
4.5.
Оценка энергетической эффективности здания . 152
4.5.1.
Европейский стандарт EN 15232 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
4.5.1.1.
Классы автоматизации с точки зрения
энергоэффективности 153
4.5.1.2.
Определение классов автоматизации . 154
4.5.2.
Сравнение методов: подробные расчеты и факторы BAC . 155
4.5.2.1.
Подробный расчет . 160
Глава 5. КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ И ЕГО ПОКАЗАТЕЛИ
Андрей Цикер, Збигнев Ханзелка и Ирена Васяк . 167
5.1.
Действующее значение напряжения 168
5.1.1.
Источники 170
5.1.2.
Влияние на энергоэффективность . 170
5.1.2.1.
Системы освещения 170
5.1.2.2.
Электродвигатели 171
5.1.2.3.
Электрические печи 171
5.1.2.4.
Другие потребители . 172
5.1.2.5.
Затраты 172
5.1.3.
Методы предупреждения возможных последствий . 173
5.1.3.1.
Регулирование напряжения путем введения
добавочного напряжения . 173
5.1.3.2.
Регулирование напряжения путем изменения
потока реактивной мощности . 174
5.1.3.3.
Управление напряжением путем изменения
полного сопротивления сети . 174
5.2.
Колебания напряжения 175
5.2.1.
Описание возмущений . 176
5.2.2.
Источники колебаний напряжения . 177
5.2.3.
Воздействие и затраты 180
5.2.3.1.
Источники освещения 180
5.2.3.2.
Электрические машины . 181
5.2.3.3.
Статические преобразователи . 181
5.2.3.4.
Электролизеры и электротермическое оборудование . 181
5.2.4.
Методы предупреждения возможных последствий . 181
5.3.
Несимметрия тока и напряжения . 182
5.3.1.
Описание возмущений . 182
5.3.2.
Источники 184
5.3.3.
Воздействие и затраты 184
5.3.3.1.
Система электроснабжения . 184
5.3.3.2.
Асинхронные двигатели . 186
5.3.3.3.
Синхронные генераторы 186
5.3.3.4.
Статические преобразователи . 187
5.3.3.5.
Прочие нагрузки 187
5.3.4.
Методы предупреждения возможных последствий . 187
5.3.4.1.
Принцип симметрирования 188
5.4.
Искажение напряжения и тока . 189
5.4.1.
Описание возмущений . 189
5.4.2.
Источники 191
5.4.3.
Воздействие и затраты 194
5.4.3.1.
Снижение энергоэффективности энергосистем 195
5.4.3.2.
Поверхностный эффект . 195
5.4.3.3.
Перенапряжения в электросетях 196
5.4.3.4.
Увеличение потенциала нейтрали
при подключении по схеме «звезда» . 196
5.4.3.5.
Перегрузка цепи нейтрали трехфазных сетей . 196
5.4.3.6.
Воздействие на трехфазные трансформаторы 196
5.4.3.7.
Воздействие на работу вращающихся машин . 197
5.4.3.8.
Воздействие несинусоидальных периодических колебаний
на электронное оборудование . 198
5.4.3.9.
Воздействие на батареи конденсаторов . 198
5.4.3.10.
Экономический ущерб . 199
5.4.4.
Методы предупреждения возможных последствий . 199
5.4.4.1.
Пассивные фильтры 201
5.4.4.2.
Активный фильтр . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
5.4.4.3.
Гибридные фильтры 203
Список литературы . 209
Дополнительные материалы . 210
Глава 6. ЛОКАЛЬНАЯ ГЕНЕРАЦИЯ И МИКРОСЕТИ
Ирена Васиак и Збигнев Ханзелка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .211
6.1.
Технологии распределенных энергетических ресурсов 212
6.1.1.
Источники энергии . 213
6.1.1.1.
Когенерация . 215
6.1.2.
Аккумулирование энергии . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .217
6.2.
Влияние РГ на потери мощности в распределительных сетях 224
6.3.
Микросети 227
6.3.1.
Концепция 227
6.3.2.
Области применения систем накопления энергии . 229
6.3.2.1.
Интеграция возобновляемых источников энергии . 229
6.3.2.2.
Балансирование нагрузки 230
6.3.2.3.
Системные услуги 230
6.3.2.4.
Ограничение пиковой нагрузки 231
6.3.3.
Управление и контроль . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231
6.3.4.
Качество электроэнергии и надежность в микросетях . 234
Список литературы . 236
Дополнительные материалы . 238
Глава 7. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ДВИГАТЕЛИ
Джорис Лемменс и Вим Депрез 239
7.1.
Потери в электродвигателях 241
7.1.1.
Энергетический баланс и энергоэффективность 242
7.1.2.
Классификация составляющих потерь 244
7.1.3.
Факторы влияния 246
7.1.3.1.
Температурные эффекты . 247
7.1.3.2.
Частичная нагрузка . 248
7.1.3.3.
Техническое обслуживание 249
7.1.3.4.
Отклонение параметров электроснабжения . 249
7.1.3.5.
Работа от преобразователя, качество электроэнергии
и система электроснабжения . 250
7.1.3.6.
Механическая передача 250
7.2.
Стандарты эффективности двигателей . 251
7.2.1.
Классификация стандартов эффективности 251
7.2.2.
Стандарты измерения эффективности . 253
7.2.2.1.
Общий порядок и особенности проведения
испытаний . 254
7.2.2.2.
Различия между стандартами измерений 256
7.2.3.
Будущий стандарт для приводов с переменной скоростью . 261
7.3.
Высокоэффективные технологии электродвигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.3.1.
Материалы, применяемые в двигателях 265
7.3.1.1.
Материал сердечника 265
7.3.1.2.
Материал проводника ротора 271
7.3.1.3.
Постоянные магниты 274
7.3.2.
Конструкция двигателя 276
7.3.2.1.
Оптимизация геометрии статора, ротора
и воздушного зазора 276
7.3.2.2.
Схема обмотки статора . 278
7.3.2.3.
Охлаждение и тепловой расчет . 279
7.3.2.4.
Подшипники 280
7.3.2.5.
Альтернативные технологии двигателей 280
7.3.3.
Производство двигателей . 283
7.3.3.1.
Производство сердечника 283
7.3.3.2.
Обмотка статора . 284
7.3.3.3.
Отливка короткозамкнутой обмотки ротора 284
7.3.3.4.
Геометрические допуски 285
Список литературы . 285
Глава 8. ОСВЕЩЕНИЕ
Мирцея Чиндрис и Антони Судриа-Андреу 288
8.1.
Энергия и системы освещения . 289
8.1.1.
Потребление энергии в осветительных системах 289
8.1.2.
Энергетическая эффективность систем освещения . 290
8.2.
Нормирование . 293
8.3.
Технологические преимущества в области систем освещения . 294
8.3.1.
Эффективные источники освещения 294
8.3.2.
Энергосберегающая пускорегулирующая аппаратура 301
8.3.3.
Энергосберегающие светильники 303
8.4.
Энергосбережение в системах внутреннего освещения . 304
8.4.1.
Политические усилия, направленные на поддержку
повышения энергоэффективности 304
8.4.2.
Модернизация или переоборудование? 308
8.4.2.1.
Переоборудование . 308
8.4.2.2.
Модернизация 309
8.4.3.
Управление освещением 311
8.4.3.1.
Ручное управление 312
8.4.3.2.
Автоматическое управление 312
8.4.4.
Естественное освещение 316
8.5.
Энергосбережение в системах наружного освещения 318
8.5.1.
Энергосберегающие лампы и светильники 318
8.5.2.
Управление наружным освещением 321
8.5.2.1.
Регулирование яркости газоразрядных ламп
высокой интенсивности . 322
8.5.2.2.
Регулирование яркости светодиодов 324
8.5.2.3.
Цифровые системы управления освещением . 324
8.6.
Обслуживание систем освещения 326
Список литературы . 327
Дополнительные материалы . 329
Глава 9. ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ И СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
Даниэль Монтезинос-Миракл, Джоан Бергас-Жанье
и Эдрис Пурезмаэль . 330
9.1.
Методы управления асинхронными электродвигателями
и двигателями с постоянными магнитами 334
9.1.1.
Управление напряжением/частотой (V/f) . 334
9.1.1.1.
Насосы, вентиляторы и системы отопления,
вентиляции и кондиционирования воздуха 337
9.1.2.
Векторное управление 339
9.1.3.
Прямое регулирование крутящего момента (DTC) . 341
9.2.
Методы управления с энергетической оптимизацией 343
9.2.1.
Потери в преобразователе . 345
9.2.2.
Потери в двигателе 345
9.2.3.
Стратегии управления с энергетической оптимизацией 346
9.3.
Топология частотно-регулируемого привода . 346
9.3.1.
Входной каскад 347
9.3.2.
Шина постоянного тока . 348
9.3.3.
Инвертор . 350
9.4.
Новые тенденции в силовых полупроводниковых устройствах 351
9.4.1.
Методы модуляции . 352
9.4.2.
Обзор различных методов модуляции . 354
9.4.2.1.
Прямоугольная модуляция . 354
9.4.2.2.
Синусоидальная ШИМ 356
9.4.2.3.
ШИМ с введением третьей гармоники 357
9.4.2.4.
Пространственно-векторная ШИМ 358
9.4.2.5.
Топологии многоуровневых инверторов . 358
Список литературы . 364
Дополнительные материалы . 365
Глава 10. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО НАГРЕВА
Мирцея Чиндрис и Андреас Сампер 366
10.1.
Общие аспекты электронагрева в промышленности 370
10.2.
Основные технологии электронагрева . 374
10.2.1.
Резистивный нагрев . 374
10.2.1.1.
Косвенный резистивный нагрев 375
10.2.1.2.
Непосредственный резистивный нагрев 379
10.2.2.
Инфракрасный нагрев 382
10.2.2.1.
Принцип . 382
10.2.2.2.
Типы систем и области применения 383
10.2.2.3.
Преимущества и ограничения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
10.2.2.4.
Стандартные показатели эффективности . 385
10.2.2.5.
Рекомендации по применению . 386
10.2.3.
Индукционный нагрев 387
10.2.4.
Диэлектрический нагрев . 391
10.2.4.1.
Радиочастотный нагрев 393
10.2.4.2.
Микроволновый нагрев . 396
10.2.4.3.
Сравнение радиочастотного
и микроволнового нагревов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
10.2.5.
Дуговые печи . 399
10.3.
Особенности повышения энергоэффективности
в промышленных процессах термической обработки 401
10.3.1.
Замена традиционных технологий нагрева . 401
10.3.1.1.
Резистивный и инфракрасный нагрев . 401
10.3.1.2.
Диэлектрический нагрев 402
10.3.2.
Выбор наиболее подходящей электротехнологии . . . . . . . . . . . . . . . 404
10.3.3.
Повышение эффективности существующего
электронагревательного оборудования 404
10.3.3.1.
Резистивный нагрев 405
10.3.3.2.
Инфракрасный нагрев 405
10.3.3.3.
Индукционный нагрев . 406
10.3.3.4.
Диэлектрический нагрев 407
10.3.3.5.
Дуговые печи 408
Список литературы . 408
Дополнительные материалы . 409
Глава 11. СИСТЕМЫ ОТОПЛЕНИЯ, ВЕНТИЛЯЦИИ
И КОНДИЦИОНИРОВАНИЯ ВОЗДУХА (ОВК)
Роберто Виллафафила-Роблес и Жауме Салом . 410
11.1.
Основные понятия . 411
11.2.
Тепловой комфорт среды . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .413
11.3.
Системы ОВК 418
11.3.1.
Преобразование энергии 421
11.3.2.
Энергетический баланс . 423
11.3.3.
Энергетическая эффективность 424
11.4.
Мероприятия по повышению энергоэффективности систем ОВК . 425
11.4.1.
Конечное потребление 425
11.4.2.
Пассивные методы . 426
11.4.2.1.
Локальные климатические условия . 426
11.4.2.2.
Планирование местоположения . 426
11.4.2.3.
Ориентация 426
11.4.2.4.
План здания 427
11.4.2.5.
Наружная оболочка . 427
11.4.2.6.
Защита от солнца . 428
11.4.2.7.
Естественная вентиляция 428
11.4.3.
Устройство преобразования . 429
11.4.4.
Источники энергии 431
Список литературы . 432
Дополнительные материалы . 433
Глава 12. ЦЕНТРЫ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ
Анджело Баггини и Франко Буа . 434
12.1.
Стандарты 434
12.2.
Динамика потребления 436
12.2.1.
Индекс энергетической эффективности . 437
12.3.
IT-инфраструктура и оборудование 438
12.3.1.
Блейд-сервер . 438
12.3.2.
Накопители (хранилища) данных . 439
12.3.3.
Сетевое оборудование . 439
12.3.4.
Консолидация 440
12.3.5.
Виртуализация 440
12.3.6.
Программное обеспечение . 441
12.4.
Инфраструктура объекта . 441
12.4.1.
Электрическая инфраструктура . 441
12.4.1.1.
ИБП (источник бесперебойного питания) . 442
12.4.1.2.
Распределительный щит питания . 443
12.4.1.3.
БП (блок питания) 443
12.4.1.4.
Освещение 444
12.4.2.
Инфраструктура системы вентиляции
и кондиционирования . 444
12.4.2.1.
Методические рекомендации по организации
охлаждения . 445
12.5.
Источники распределенной генерации и комбинированной
выработки для центров обработки данных 448
12.6.
Организация обеспечения энергоэффективности . 449
Дополнительные материалы . 450
Глава 13. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Збигнев Ханзелка, Вальдемар Шпира, Андрей Цикер
и Кшиштоф Пьятек 451
13.1.
Компенсация реактивной мощности в электрической сети . 453
13.1.1.
Экономическая эффективность компенсации
реактивной мощности . 458
13.2.
Компенсация реактивной мощности в промышленной
электрической сети . 461
13.2.1.
Линейные нагрузки 463
13.2.1.1.
Пример 1. Централизованная компенсация . 464
13.2.2.
Групповая компенсация 464
13.2.2.1.
Пример 2. Групповая компенсация 465
13.2.3.
Нелинейные нагрузки . 469
13.2.3.1.
Пример 3. Компенсация реактивной мощности
при наличии нелинейных нагрузок 472
13.3.
Компенсация реактивной мощности 475
13.3.1.
Синхронный компенсатор 475
13.3.2.
Батареи конденсаторов . 476
13.3.3.
Силовые электронные компенсаторы/
стабилизаторы 477
13.3.3.1.
Конденсаторы с тиристорным управлением
(TSC) 477
13.3.3.2.
Реакторы с нерегулируемыми конденсаторами
с тиристорным управлением (FC/TCR) 477
13.3.3.3.
Статические компенсаторы (STATCOM) 480
Список литературы . 483
Дополнительные материалы . 483
Алфавитный указатель . 484
Список участников
Angelo Baggini
Industrial Engineering Department
University of Bergamo
Via Marconi 5 24044 Dalmine BG, Italy
Joan Bergas-Jané
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Franco Bua
ECD Engineering Consulting and Design
Vai Maffi 21
27100 Pavia, Italy
Mircea Chindris
Electrical Power Systems Dept.
Technical University of Cluj-Napoca
15, C. Daicoviciu st.
400020 Cluj-Napoca, Romania
Andrei Czicker
Electrical Power Systems Dept.
Technical University of Cluj-Napoca
15, C.Daicoviciu st.
400020 Cluj-Napoca, Romania
Wim Deprez
Dept. Electrical Engineering ESAT
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Paola Pezzini
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
K.U. Leuven, Research group ELECTA
Kasteelpark Arenberg 10
3001 Heverlee, Belgium
Stefan Fassbinder
Berantung elektrotechnische Anwendungen
Deutsches Kupferinstitut
Am Bonneshof 5
D-40474 Dusseldorf, Germany
Zbigniew Hanzelka
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30
Poland
Joris Lemmens
Dept. Electrical Engineering ESAT
K.U. Leuven, Research group ELECTA
Kasteelpark Arenberg 10
3001 Heverlee, Belgium
Annalisa Marra
ECD Engineering Consulting and Design
Vai Maffi 21
27100 Pavia, Italy
Daniel Montesinos-Miracle
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Andreas Sumper
Centre d’Innovació Tecnològica en
Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica
Industrial de Barcelona
Carrer Comte d’Urgell, 187 — 08036
Barcelona, Spain
Krzysztof Piątek
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30,
Poland
Edris Pouresmaeil
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Jaume Salom
Institut de Recerca en Energia
de Catalunya (IREC)
Jardins de les Dones de Negre 1, 2a pl.
08930 Sant Adrià de Besòs, Spain
Antoni Sudrià-Andreu
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
and
Institut de Recerca en Energia de Catalunya
(IREC)
Jardins de les Dones de Negre 1, 2a pl.
08930 Sant Adri`a de Bes`os, Spain
Waldemar Szpyra
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30,
Poland
Roman Targosz
Polish Copper Promotional Centre
Plac Jana Pawla II 1-2
50-136 Wrocalw, Poland
Roberto Villafáfila-Robles
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica
Industrial de Barcelona
Carrer Comte d’Urgell, 187 — 08036
Barcelona, Spain
Irena Wasiak
Politechnika Łódzka
Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,
Automatyki i Informatyki
Instytut Elektroenergetyki
ul. Stefanowskiego 18/22
90-924 Łódź, Poland
Введение
Энергосберегающие технологии — это общее для различных инженерных обла-
стей название технологий, используемых для повышения эффективности энерго-
потребления приборами и системами. Поскольку электроэнергия является наи-
более гибкой формой энергии, известной людям, и одной из наиболее важных
форм энергии, используемой в промышленности и коммерческой сфере, следу-
ет уделить особое внимание эффективности ее использования. Таким образом,
технологии повышения энергоэффективности — это ряд мероприятий, которые
направлены на повышение эффективности использования энергии в различных
областях. Такие технологии широко распространены и варьируются от задачи
обеспечения качества электрической энергии до теплотехники в электроэнерге-
тических системах с учетом экономических аспектов.
Наряду с электробезопасностью в ближайшие годы эффективность использо-
вания электроэнергии станет одним из обязательных критериев при проектиро-
вании любых процессов, установок или зданий.
Трудность при разработке технологий энергоэффективности заключается
в получении целостного взгляда на ту или иную сферу применения. Определенные
знания конкретной технологии требуются в большинстве случаев, но для дости-
жения общей цели энергосбережения абсолютно необходимо глубокое понимание
производственных процессов и решаемых задач. Зачастую оптимальные решения
частных вопросов обеспечивают недостаточный вклад в общую энергоэффек-
тивность процесса. Инженеры должны обладать многопрофильными знаниями,
в частности знаниями об электрических системах, качестве электрической энер-
гии, методах контроля и тепловых процессах. Кроме того, важным аспектом ква-
лификации является умение анализировать производственный процесс и опреде-
лять, какие меры по повышению его эффективности следует предпринять.
Повышение уровня энергоэффективности тесно связано с оценкой, главным
образом инвестиционной, соответствующих мер, которые необходимо пред-
принять. Эффективные решения часто требуют увеличения вложений и обыч-
но нуждаются в одобрении со стороны руководства. Руководитель также должен
понимать, как энергосберегающие мероприятия могут повысить эффективность
процесса и, тем самым, позволят увеличить производительность.
В 2000 г. группа ученых и промышленников запустила постоянно действующую
программу обучения, софинансируемую Европейской комиссией и посвящен-
ную проблемам качества электроэнергии под названием «Инициатива Leonardo»
(LPQI — Leonardo Power Quality Initiative). Благодаря этому проекту была сформиро-
вана сеть экспертов в области энергетики, которые создали несколько дополнитель-
ных проектов, таких как LPQIves и Leonardo Energy. Основная информация об этих
программах доступна на веб-странице Leonardo Energy (http://www.leonardoenergy.
org). Вдохновленные этим проектом, некоторые члены рабочей группы внесли свой
вклад в подготовку «Справочника по качеству электроэнергии» (Handbook of Power
Quality), выпущенного в 2008 г. под редакцией Анджело Баггини.
В ходе одного из совещаний по проекту в Брюсселе в 2008 г. родилась идея
всеобъемлющей книги о проблемах энергоэффективности, а в последующие годы
было проработано содержание книги.
Новаторский подход этой книги заключается в том, чтобы доступно ознако-
мить читателя с технологиями, позволяющими повысить уровень эффективно-
сти использования электроэнергии, и сферами применения таких технологий.
Из этой всеобъемлющей книги читатель узнает о различных методах энерго-
сбережения, а также об экспертном мнении по поводу большинства промышлен-
ных и коммерческих сфер электроэнергетики. В каждой главе рассматриваются
различные мероприятия, направленные на достижение энергоэффективности,
в широком диапазоне их сфер применения.
Прежде чем вы приступите к изучению этой книги, мы хотели бы отметить
важный вклад всех авторов различных глав со всего мира. Без их экспертных мне-
ний данная работа была бы невозможна. Мы надеемся, что процесс чтения этой
книги будет для вас интересным.
Андреас Сампер, Барселона, Испания
Анджело Баггини, Павиа, Италия
Предисловие
Нет никаких сомнений в том, что энергетическая безопасность и изменение кли-
мата являются одними из самых часто обсуждаемых тем среди политиков. Се-
годня цена на нефть находится на уровне около 100 долларов за баррель и из-за
растущего спроса и продолжающегося истощения резервов такой уровень цен
будет сохраняться или даже увеличиваться1. Антропогенный характер изменения
климата больше не является предметом обсуждения в научном сообществе, так же
как и тревожные новости о том, что его необратимые последствия уже начались
и только резкое снижение уровня выбросов CO2 позволит смягчить их величину
и весьма затратное влияние на общество.
Вопросы энергоэффективности и энергосбережения приобретают все боль-
шее значение в качестве ключевых составляющих многих национальных и между-
народных стратегий по смягчению последствий изменения климата, повышению
безопасности энергоснабжения и конкурентоспособности, сохранению природ-
ных ресурсов (в частности энергии, материалов и воды), а также по снижению
уровня других видов загрязнения окружающей среды, связанных с энергетикой.
Однако уровень инвестиций в разработку и внедрение энергосберегающих тех-
нологий в строительстве, производстве оборудования и промышленных системах
остается значительно ниже, чем того требуют экономика, энергетика и ситуация
с изменением климата.
Стратегии, программы и проекты поддержки энергосберегающих технологий
остаются крайне необходимыми для преодоления рыночных, институциональ-
ных, финансовых и правовых барьеров, а также для создания благоприятного
рынка инвестиций в энергосбережение на том уровне, который будет оправдан
рациональным экономическим поведением. В частности, проекты поддержки
энергосберегающих технологий очень активно обсуждаются, поскольку считает-
ся, что в будущем экономическая составляющая энергосбережения должна быть
достаточно высокой, чтобы мотивировать конечных пользователей.
Другая важная проблема связана с пониманием того, что главной задачей
в вопросе изменения климата является сокращение абсолютного уровня потреб-
ления энергии, если мы хотим смягчить неизбежное воздействие климатических
изменений. Снижение энергопотребления может быть достигнуто за счет повы-
шения энергоэффективности используемых систем (технологический аспект)
и/или за счет реализации мер по энергосбережению, не обязательно связанных
с технологическими усовершенствованиями (поведенческий аспект, к примеру
уменьшение перегрева или избыточного охлаждения, сокращение продолжи-
тельности использования автомобиля). Энергоэффективность является важной
составляющей энергосбережения, поскольку она позволяет использовать меньше
энергии для получения необходимого результата (например освещения, охлаж-
дения, отопления). Однако увеличение энергоэффективности, т.е. замена старых
технологий на более энергоэффективные, само по себе не обеспечивает сбере-
жения энергии. Существует множество примеров, когда в результате внедрения
более эффективной технологии фактическое потребление увеличивалось из-за
эффекта отскока или вследствие установки более мощных приборов, а также
большего их количества (большая мощность приборов, более интенсивное их ис-
пользование).
Интерес к энергоэффективности и энергосбережению возрос среди полити-
ков, экономистов и ученых (с точки зрения технологии, экономики, политики
и социальных аспектов). Существует необходимость дальнейшего изучения энер-
госберегающих технологий (таких как системы управления, светодиодное осве-
щение, частотно-регулируемые приводы и вакуумная изоляция), а также обобще-
ния данных о социально-экономических аспектах потребления энергии. В то же
время при активизации действий в области энергоэффективности и энергосбе-
режения возникает необходимость анализа опыта реализации данной деятельно-
сти в различных странах, для того чтобы продемонстрировать очевидный вклад
повышения энергоэффективности в энергетическую безопасность и смягчение
последствий изменения климата.
Паоло Бертольди
Европейская комиссия
Центр совместных научных исследований
Испра, Италия
ГЛАВА 1
Обзор стандартизации в сфере
энергетической эффективности
Франко Буа и Анджело Баггини
Столкнувшись с нефтяными кризисами в 1970-х гг., многие страны начали актив-
но внедрять меры по повышению энергетической эффективности во всех сферах
экономики. В результате принятых регламентированных подходов и сопутствую-
щих структурных изменений в экономике этим странам удалось преодолеть зави-
симость экономического роста от потребления энергетических ресурсов.
Темп снижения энергоемкости в разные периоды времени отличался; так,
в большинстве стран энергопотребление динамичнее снижалось в период с 1970
по 1990 гг.1
Согласно информации, предоставленной Международным энергетическим
агентством (англ. International Energy Agency — IEA), резкие колебания цен
на нефть в 1970-х гг. и выработанное в качестве ответных мер законодательство
в области энергопотребления оказали большее влияние на контроль роста потре-
бления энергетических ресурсов и выбросов углеводородов, нежели законодатель-
ство в сфере энергетики и охраны окружающей среды, внедренное в 1990-х гг.2
При этом в начале 2000-х гг. наблюдалась тенденция к улучшению ситуации
в области энергопотребления, которая, скорее всего, была связана с ростом цен
на энергетические ресурсы и повышенным вниманием общественности к вопро-
сам климатических изменений.
Совершенно ясно, что в настоящее время повышение энергетической эф-
фективности является приоритетным направлением политического курса пра-
вительств многих стран, поскольку это ключ к решению задач по обеспечению
энергетической безопасности, а также проблем в сфере экологии и экономики.
В целях оказания поддержки государственным органам в сфере повышения
энергетической эффективности в наиболее приоритетных областях3 многие ор-
ганизации приняли участие в подготовке как рекомендаций, так и конкретных
мероприятий. Каждая страна вырабатывает собственную оптимальную страте-
гию для внедрения мероприятий, направленных на повышение энергетической
эффективности, с учетом своей уникальной экономической, социальной и поли-
тической конъюнктуры.
Мировой энергетический совет (англ. World Energy Council — WEC)1 пред-
лагает следующую классификацию практик и мероприятий2 в сфере повышения
энергетической эффективности:
•государственные структуры и программы:
- государственные структуры — агентства (общенациональные, региональ-
ные и местные), департамент соответствующего министерства;
ۍۍ национальные программы повышения энергетической эффективности
с установленными количественными целевыми показателями и законо-
дательными нормами;
•меры по регулированию:
- минимальный набор стандартов в области энергетической эффективно-
сти и маркировки электрооборудования (например холодильников, сти-
ральных машин, кондиционеров воздуха, осветительных приборов, во-
донагревателей, двигателей), автомобилей и зданий (вновь построенных
и ранее возведенных);
- иные регуляторные требования для установленных категорий потреби-
телей: обязательное введение должности энергетического менеджера,
обязательные отчеты об энергопотреблении, обязательное достижение
показателей сокращения энергопотребления и обязательное техническое
обслуживание;
- обязательства по энергосбережению для энергетических компаний, рабо-
тающих на потребительских рынках;
•финансовые и налоговые меры:
- отраслевые субсидии на оплату расходов при проведении аудитов (в сфе-
ре промышленности и торговли, общественные учреждения, домохозяй-
ства, малообеспеченные домохозяйства, транспорт);
- субсидии либо кредитование на льготных условиях (т.е. кредиты с суб-
сидированными процентными ставками) предприятий в различных от-
раслях, инвестирующих в повышение энергетической эффективности
и энергоэффективное оборудование;
•налоговые меры:
- отсрочка уплаты налогов;
- ускорение амортизации;
- снижение налогов на инвестиции, направленных на повышение энер-
гетической эффективности, по типам налогов (налог на импорт, НДС,
налог на покупку, ежегодный налог на регистрацию транспортного сред-
ства) и по типам оборудования (оборудование бытового назначения, ав-
томобили, осветительные приборы);
•межотраслевые меры:
- инновационные средства коммуникации;
- добровольные соглашения между государственными органами и участни-
ками производственной деятельности.
Широкомасштабные исследования были проведены в целях определения эф-
фективности политики в области повышения энергетической эффективности.
Например, Международное энергетическое агентство проводит оценку самых пе-
редовых практик в данной области, выделяя их сильные стороны и области воз-
можного усовершенствования (табл. 1.11 и 1.22).
Несмотря на огромный потенциал, политику в области повышения энер-
гетической эффективности достаточно трудно реализовать3. Почему же? В ре-
зультате повышения энергетической эффективности возникают различные пре-
пятствия, например отсутствие доступа к финансовым ресурсам, необходимым
для инвестиций в повышение энергетической эффективности, недостаточная
информированность в области энергосбережения, а также дополнительные из-
держки, которые не заложены в цены на энергетические ресурсы. Кроме того,
нельзя исключать и экономические кризисы, которые могут негативно повлиять
на политический курс, направленный на внедрение практик в области энергети-
ческой эффективности.
Программам энергосбережения приходится конкурировать за финансирова-
ние с другими приоритетными программами, такими как обеспечение занятости
населения, здравоохранение и социальное обеспечение.
1.1. Стандартизация
Как было сказано выше, в процессе повышения энергетической эффективно-
сти постоянно возникают препятствия, среди которых недостаточная осведом-
ленность о потенциально возможной экономии энергетических ресурсов, недо-
стоверная информация о текущем уровне эффективности оборудования и его
контрольных показателях эффективности, учет эффективности отдельных ком-
понентов оборудования и пренебрежение данными о выработке энергоресурсов
и энергопотребления всей системы, конфликт интересов, а также стремление
снизить первоначальные затраты на энергосбережение вместо попыток сниже-
ния затрат на жизненный цикл оборудования. Применение соответствующих
стандартов может помочь в преодолении некоторых препятствий. Например,
в стандартах содержится информация об общепринятых методиках измерений
и испытаний, необходимых для оценки энергопотребления, способах его сниже-
ния посредством применения новых технологий и процессов, а также средствах
систематизации наилучших практик и процессов управления, направленных
на эффективное потребление энергетических ресурсов и энергосбережение.
Кроме того, в стандартах представлена информация о порядке проверки
на предмет соответствия проектным требованиям и методические указания, при-
менимые как на этапе проектирования новых систем, так и в процессе модерни-
зации существующих систем и оборудования. Благодаря стандартам появляется
возможность использовать типовые методики расчетов и проводить обоснован-
ные сверки с альтернативными методиками в определенных ситуациях. Также
стандарты помогают создать необходимую инфраструктуру для внедрения новых
технологий и обеспечить эксплуатационную совместимость.
В следующих разделах приведен обзор текущей деятельности по стандартиза-
ции в области энергетической эффективности.
1.1.1. Стандарты ISO
Деятельность Международной организации по стандартизации (англ. International
Organization for Standardization — ISO) в области энергосбережения началась
в июне 2007 г. после того, как рабочая группа по энергосбережению и возобновля-
емым источникам энергии Совета ISO (далее Совет) определила пять высокопри-
оритетных направлений, обладающих наибольшим потенциалом с точки зрения
оптимизации энергопотребления и сокращения выбросов парниковых газов:
•использование типовых методик расчетов;
•применение стандартов энергетического менеджмента;
•использование биотоплива;
•техническое перевооружение и реконструкция;
•повышение энергетической эффективности зданий.
В соответствии с поручением Совета2 технический руководящий аппарат
(англ. Technical Management Board — TMB) создал стратегическую консультатив-
ную группу (англ. Strategic Advisory Group — SAG) по вопросам энергетической
эффективности и возобновляемым источникам энергии3 на первоначальный пе-
риод в два года (до февраля 2010 г.). Стратегической консультативной группе было
поручено консультировать технический руководящий аппарат и оказывать мето-
дологическую поддержку в вопросах применения приоритетных стандартов и со-
вершения необходимых действий, включая привлечение заинтересованных сто-
рон и сотрудничество с другими международными организациями, координацию
действий ISO и технических комитетов и пр. Основной целью являлось ускорение
процесса разработки программы стандартизации в области повышения энергети-
ческой эффективности, предназначенной для соблюдения национальных интере-
сов и потребностей рынка.
Стратегическая консультативная группа экспертов подготовила обширный
доклад, включающий в себя 66 рекомендаций, получивших одобрение со стороны
технического руководящего аппарата. Впоследствии деятельность стратегической
консультативной группы была продлена еще на три года.
1.1.1.1. Стандарт ISO 50001
В феврале 2008 г. технический руководящий аппарат одобрил создание нового про-
ектного комитета, ISO/PC 242 «Энергетический менеджмент»4, используя уже сло-
жившиеся практики и существующие национальные и региональные стандарты.
Впоследствии стандарт ISO 50001 позволит внедрить международные подхо-
ды по управлению энергосистемами объектов промышленного и коммерческого
назначения и целых компаний в целях контроля всех вопросов, связанных с энер-
гетическими ресурсами, включая их закупку и потребление. В июне 2011 г. в результате четырех заседаний проектного комитета, проходивших в течение двух лет, был опубликован стандарт ISO EN 50001, который в октябре того же года
был утвержден Европейским комитетом по стандартизации (фр. Comité Européen
de Normalisation — CEN) и Европейским комитетом электротехнической стан-
дартизации (фр. Comité Européen de Normalisation Électrotechnique — CENELEC).
Целью введения в действие стандарта ISO EN 50001 являлось предоставление ор-
ганизациям и компаниям общепринятого подхода для интеграции мероприятий
по энергетической эффективности в управленческие практики.
Благодаря ISO 50001 организации и компании получили технические и управ-
ленческие стратегии для повышения энергетической эффективности, снижения
издержек и улучшения экологических показателей.
1.1.1.2. Совместный проектный комитет 2 ISO/IEC
(англ. ISO/IEC JPC 2)
В 2009 г. ISO и Международная электротехническая комиссия (International
Electrotechnical Commission — IEC) создали совместный проектный комитет ISO/
IEC JPC 2 «Энергетическая эффективность и возобновляемые источники энер-
гии: общая терминология». Основной целью создания комитета являлась разра-
ботка стандарта, содержащего единые термины и определения в области энерге-
тической эффективности и возобновляемых источников энергии, которые были
разработаны с учетом специфики различных отраслей техническими комитетами
ISO и Международной электротехнической комиссией.
На первом заседании совместного проектного комитета в январе 2010 г. были
созданы следующие три рабочие группы (РГ):
•РГ № 1 «Энергетическая эффективность: концепты и схемы», координа-
тор — Американский национальный институт стандартов (ANSI, США);
•РГ № 2 «Материалы из существующих справочных документов», координа-
тор — Шведский институт стандартов (SIS/SEK, Швеция);
•РГ № 3 «Возобновляемые источники энергии: термины и определения»,
координатор — Французская ассоциация по стандартизации (ANFOR,
Франция).
Комитет начал работу по рассмотрению проекта стандарта в октябре 2011 г.
1.1.2. Международная электротехническая комиссия
(англ. IEC)
Подходы Международной электротехнической комиссии к энергосбережению
изложены в руководстве «Как противостоять энергетическому вызову»1. Данный
документ, разработанный Комитетом по рыночным стратегиям Международной
электротехнической комиссии, содержит информацию о мировом спросе на энер-
гетические ресурсы, потенциальных путях удовлетворения спроса на ближайшие
30 лет, а также информацию о непосредственной роли комиссии в данной области.
По мнению Международной электротехнической комиссии, для решения
проблем в области повышения энергетической эффективности необходим си-
стемный подход, принимающий во внимание все аспекты генерации, передачи
и потребления энергии, а также процедуры измерения и методы определения
энергетической эффективности для достоверной оценки предлагаемой модерни-
зации и решения технологических проблем (наилучшая доступная технология,
англ. Best Available Technology — BAT).
1.1.2.1. Исследовательская группа № 1
«Энергетическая эффективность
и возобновляемые источники энергии»
В 2007 г. Международная электротехническая комиссия приступила к учрежде-
нию вспомогательных органов для оказания своему управляющему комитету кон-
сультативной помощи по стратегическим вопросам, которые будут определять на-
правление будущей деятельности. Среди них была исследовательская группа № 1,
в компетенции которой входило решение задач в области повышения энергетиче-
ской эффективности.
Исследовательская группа № 1 была учреждена в начале 2007 г. для выполне-
ния следующих задач:
•анализ текущей ситуации в области энергетической эффективности и воз-
обновляемых источников энергии (существующие стандарты Международ-
ной электротехнической комиссии и проекты, находящиеся в разработке);
•выявление недостатков и возможностей для новых видов деятельности, вхо-
дящих в сферу компетенции Международной электротехнической комиссии;
•определение целей для повышения эффективности использования электриче-
ской энергии в процессах производства продукции и управления системами;
•формулировка рекомендаций для дальнейших действий.
Впоследствии эксперты из других групп, созданных Международной элек-
тротехнической комиссией, и организаций, таких как Международное энерге-
тическое агентство, Международная комиссия по освещению (фр. Commission
internationale de l’éclairage — CIE) и т.д., провели встречи для обмена опытом
о проделанной работе и достижениях в области энергетической эффективности
и возобновляемых источников энергии.
В результате работы, проведенной Исследовательской группой № 1, появились
34 рекомендации, направленные на ознакомление представителям среднего и ма-
лого бизнеса и членам технического комитета в целях получения комментариев.
1.1.2.2. Исследовательская группа № 3
«Интеллектуальные электрические сети»
Необходимо упомянуть еще одну исследовательскую группу, связанную с вопро-
сами повышения энергетической эффективности, а именно исследовательскую
группу № 3 «Интеллектуальные электрические сети». Исследовательская группа
№ 3, основанная в 2008 г., вырабатывает рекомендации в области динамично раз-
вивающихся концепций и технологий, которые могут стать основой для новых
международных стандартов или разработок технических комитетов Международ-
ной электротехнической комиссии в области технологий для интеллектуальных
электрических сетей.
Исследовательская группа № 3 разработала общий подход и рекомендации для
технических комитетов, вовлеченных в работу над интеллектуальными электри-
ческими сетями, а также создала «Дорожную карту развития интеллектуальных
электрических сетей»1, в которой представлены стандарты обеспечения взаимо-
действия систем, передачи и распределения, измерений, подключения потреби-
телей и обеспечения кибербезопасности.
1.1.2.3. Исследовательская группа № 4
«Сети электрические распределительные низковольтные
напряжением до 1500 В постоянного тока»
Исследовательская группа № 4 была основана в 2009 г. для систематизации, стан-
дартизации и координации деятельности, в ходе которой применяются распреде-
лительные сети низкого напряжения (например, в дата-центрах, потребляющих
энергию из возобновляемых источников, зданиях коммерческого назначения,
в аккумуляторах мобильных устройств и электромобилей, осветительных при-
борах, мультимедийных системах, информационно-коммуникационных устрой-
ствах и пр. оборудовании с блоками питания).
Несмотря на то что работа исследовательской группы № 4 не имеет прямого
отношения к повышению энергетической эффективности, она позволяет полу-
чить стратегически важные преимущества в случае реализации потенциала повы-
шения энергетической эффективности.
1.1.3. Европейский комитет по стандартизации
(фр. Comité Européen de Normalisation — CEN)
и Европейский комитет
электротехнической стандартизации
(фр. Comité Européen
de Normalisation Électrotechnique)
CEN и CENELEC с 2002 г. активно принимают участие в анализе проблем стандар-
тизации в области энергетической эффективности и выработке общей стратегии.
Интересным и важным можно считать факт изначальной совместной деятель-
ности CEN и CENELEC с применением единого системного подхода.
Совместная рабочая группа по направлению «Энергетический менеджмент»
Технического совета CEN/CENELEC была создана в начале 2002 г. для разработ-
ки единообразной стратегии стандартизации в области энергетической эффек-
тивности в европейских странах, а также для единого понимания поставленных
целей всеми членами CEN/CENELEC.
Данная рабочая группа экспертов выступала в качестве технических консуль-
тантов в составе CEN и CENELEC по всем политическим и стратегическим во-
просам, относящимся к стандартизации в области повышения энергетической
эффективности с 2002 по 2005 гг. Основные результаты работы группы приведены
в отчете1, содержащем обзор предложений по стандартизации в области энергети-
ческого менеджмента, разделенных на три уровня в зависимости от присвоенного
им приоритета2. Этот документ и по сей день является основой деятельности CEN
и CENELEC по стандартизации в области энергетической эффективности.
Основные технические органы, принимавшие участие в работе по стандарти-
зации в области энергетической эффективности, перечислены в табл. 1.3, ключе-
вые мероприятия по стандартизации приведены в табл. 1.4.
1.1.3.1. Консультационный комитет
по вопросам энергетического менеджмента
(англ. Sector Forum Energy Management — SFEM)
Во исполнение рекомендаций совместной рабочей группы по направлению
«Энергетический менеджмент» Технического совета CEN/CENELEC был соз-
дан консультационный комитет по вопросам энергетического менеджмента
(англ. Sector Forum Energy Management — SFEM) в целях разработки общей стра-
тегии стандартизации в области энергетического менеджмента и энергетической
эффективности, создания платформы для обмена информацией и опытом между
всеми заинтересованными сторонами, а также для определения приоритетов в от-
ношении стандартизации в энергетическом секторе.
Консультационный комитет по вопросам энергетического менеджмента зани-
мается решением следующих задач:
•поддержка и расширение партнерской сети, созданной в период деятель-
ности совместной рабочей группы по направлению «Энергетический ме-
неджмент» Технического совета CEN/CENELEC, особенно в отношении
новых членов;
•инициирование новых исследований и оценка областей и объектов, тре-
бующих проведения дальнейшей работы по стандартизации, включая об-
ласти и объекты с присвоенными предыдущей совместной рабочей груп-
пой по направлению «Энергетический менеджмент» Технического совета
CEN/CENELEC приоритетами B или C;
•координация текущей деятельности по стандартизации в области энергети-
ческого менеджмента в европейских странах;
•организация запросов со стороны CEN и CENELEC по части внесения из-
менений в области энергетического менеджмента в европейское законода-
тельство и общеевропейской стратегии;
•постоянный обмен информацией, опытом и изысканиями, особенно
по внедряемым инициативам, как в европейских странах, так и в странах,
не входящих в ЕС.
Консультационный комитет проводит собрания дважды в год в целях разра-
ботки рекомендаций относительно дальнейших действий для CEN и CENELEC
и при этом не ведет какой-либо деятельности в области стандартизации. На ос-
новании полученных рекомендаций CEN и CENELEC, как правило, формируют-
ся соответствующие технические комитеты (обычно совместные рабочие группы
экспертов) для решения поставленных задач.
Дополнительные материалы по теме
1. Geller Н., Attali S. The experience with energy efficiency policies and programmes in IEA
countries. Learning from the Critics. IEA Information Paper, 2005.
2. IEA, Implementing Energy Efficiency Policies, 2009, OECD/IEA, Paris.
3. WEC, WEC: Energy Efficiency. A Recipe for Success, 2010.
ГЛАВА 2
КАБЕЛИ
И ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Паола Пеццини и Андреас Сампер
Пропускная способность систем передачи электроэнергии зависит от рабочего
напряжения и максимального передаваемого тока. Поскольку рабочее напряже-
ние фиксированно, то пропускная способность системы при заданном напряже-
нии зависит от пропускной способности проводника при передаче тока.
В таком случае пропускная способность носит название допустимой токовой
нагрузки [1], а ее вычисление производится с учетом как параметров установи-
вшегося режима, так и расчетных параметров переходных процессов [2]. Расче-
ты для кабелей воздушной и подземной прокладки незначительно отличаются
в связи с различной окружающей средой, с которой взаимодействует кабель. При
расчете допустимой токовой нагрузки для кабелей воздушной прокладки следует
принимать во внимание солнечное излучение и силу ветра в зоне прокладки ка-
беля. При расчете допустимой токовой нагрузки для подземных кабелей следует
учитывать тип почвы, в которую закладывается кабельная система.
Определение допустимой токовой нагрузки требует проведения тепловых
расчетов, поскольку размеры изоляции и токоведущих частей кабеля являются
независимыми параметрами, которые взаимосвязаны тепловыми соотношения-
ми. Расчеты пропускной способности кабеля требуют определения температуры
проводника при заданной токовой нагрузке. Номинальная допустимая токовая
нагрузка прямо пропорциональна диаметру проводника: чем больше диаметр
проводника (меньше джоулевы потери), тем выше допустимая токовая нагрузка.
С другой стороны, требования к изоляции определяются рабочим напряжением
и также непосредственно влияют на величину допустимой токовой нагрузки: вы-
сокие требования к изоляции (более низкое тепловое рассеяние) означают более
низкую допустимую токовую нагрузку. К параметрам, влияющим на значение до-
пустимой токовой нагрузки, относятся: количество и тип кабелей, тепловое со-
противление среды (почвы или воздуха) вокруг кабеля, глубина прокладки в слу-
чае с подземным кабелем, а также горизонтальное расстояние между кабелями
системы. Наличие явной связи между током в проводнике и температурой приво-
дит к вопросу о том, как рассеивается тепло, выделяемое при прохождении тока.
Решение основных уравнений теплового баланса является первым шагом к полу-
чению расчетных номинальных параметров кабеля и его номинальных токовых
нагрузок, которые зависят в основном от эффективности процессов рассеяния,
наряду с ограничениями, накладываемыми на температуру изоляции.
На сегодняшний день одних только технических критериев недостаточно для
получения оптимального размера кабеля. На самом деле минимальное допустимое
сечение, полученное из решения уравнений теплового баланса, не учитывает стои-
мость потерь, которые будут иметь место в течение всего срока эксплуатации кабе-
ля. Таким образом, при выборе размеров кабеля следует учитывать сумму началь-
ной стоимости и стоимости потерь. Последнюю можно вычислить, оценив рост
нагрузки и стоимость энергии. Если сумма будущих затрат на энергопотери и пер-
воначальных затрат на покупку и установку сведена к минимуму, значит, определе-
ны оптимальные с экономической точки зрения размеры проводника. Снижение
общих затрат при такой оптимизации обусловлено тем, что затраты на джоулевы
потери снижаются сильнее, чем увеличивается стоимость приобретения.
2.1. ТЕОРИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Поскольку ток нагрузки и температура проводника неразрывно связаны, в этом
разделе приведен обзор теории теплопередачи. Чтобы определить температуру
проводника при заданной токовой нагрузке либо, наоборот, допустимую токовую
нагрузку для заданной максимальной температуры проводника, необходимо рас-
считать тепловую энергию, выделяемую в кабельной системе, и скорость ее рассе-
ивания при заданном материале проводника и заданной нагрузке.
Существуют три основных механизма передачи тепла в различных средах: те-
плопроводность, конвекция и излучение.
2.1.1. Теплопроводность
Для вычисления теплопроводности используется уравнение, выражающее передачу
тепла между двумя контактирующими средами и также известное как закон Фурье:
см. уравнение в книге (2.1)
Тепловая энергия, передаваемая в направлении x, обозначается Q [Вт] и пря-
мо пропорциональна температурному градиенту dθ/dx [K/м]. Для заданного тем-
пературного распределения θ(x) [K] данный градиент представляет собой направ-
ление и скорость изменения температуры. Здесь А [м2] — это площадь, на которой
происходит тепловой обмен, а ρ [K ∙ м/Вт] — это термическое сопротивление, ха-
рактеризующее качество передачи тепла материала. Минус в уравнении отражает
тот факт, что тепло передается в направлении понижения температуры.
Механизм теплопроводности приобретает большое значение при рассмотре-
нии подземных кабелей, когда проводник находится в прямом контакте с другими
металлическими частями и изоляцией.
2.1.2. Конвекция
Конвекция — это результат двух механизмов, работающих одновременно: тепло-
проводности, обусловленной движением молекул, и переноса тепла, обусловлен-
ного движением потока среды (жидкости или газа). Уравнение, используемое для
описания конвекции, известно как закон Ньютона:
см. уравнение в книге (2.2)
Тепловая мощность конвекции Q [Вт] пропорциональна разности между тем-
пературой поверхности θs и температурой окружающей среды θamb. Здесь также
А [м2] обозначает площадь поверхности теплообмена, а h [Вт/(К ∙ м2)] — коэффи-
циент конвективной теплопередачи.
Конвекцию можно классифицировать по характеру движения текучей среды
на принудительную и естественную. Первая возникает, когда поток обусловлен
внешними средствами: ветром, насосами или вентиляторами. Вторая возникает
в результате разности давлений, которая, в свою очередь, вызвана разностью тем-
ператур. Конвекцию необходимо принимать во внимание при расчете воздушных
кабелей, а коэффициент конвективной теплопередачи h является важнейшим
параметром, который необходимо рассчитать. В табл. 2.1 показаны характерные
диапазоны значений коэффициента h.
2.1.3. Излучение
Способность передавать энергию путем излучения является характерной особен-
ностью всей материи. Для излучения не нужна среда, т.к. оно представляет собой
электромагнитные волны, которые могут передавать энергию в вакууме. Излучае-
мая тепловая энергия определяется по закону Стефана—Больцмана:
см. уравнение в книге (2.3)
Тепловая мощность Q прямо пропорциональна абсолютной температуре
θ*s [K] поверхности A [м2], σB — постоянная Стефана—Больцмана (σB =
= 5,67 ∙ 10–8 [Вт/(К4 ∙ м2)]); ε — излучательная способность поверхности. Излу-
чательная способность — это отношение энергии, излучаемой поверхностью,
к энергии, излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре, а диапа-
зон ее значений составляет 0 ≤ ε ≤ 1.
Если излучение попадает на поверхность, то его часть поглощается в соответ-
ствии с поверхностной радиационной характеристикой, известной как коэффи-
циент поглощения α [Вт/K4 ∙ м2], как показано в следующем уравнении:
см. уравнение в книге (2.4),
где 0 ≤ α ≤ 1. Кабели как излучают сами, так и поглощают излучение. Поэтому
применяется следующее уравнение:
см. уравнение в книге (2.5).
В кабельных системах воздушной прокладки необходимо также принимать
во внимание конвекцию, поэтому итоговое уравнение будет иметь вид
см. уравнение в книге (2.6)
где Ac [м2] — площадь конвекционной поверхности; Ar [м2] — площадь излучатель-
ной поверхности.
2.2. НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК
КАБЕЛЕЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОКЛАДКИ
Допустимая токовая нагрузка кабелей вычисляется в основном с использованием
следующих основных параметров: допустимое повышение температуры, сопро-
тивление проводника, потери и термическое сопротивление. Однако некоторые
параметры могут изменяться в зависимости от конструкции и материала кабеля,
поэтому следует полагаться на международный стандарт. Кроме того, как будет
показано далее, параметры, относящиеся к рабочим условиям, могут изменяться
в зависимости от страны.
Для кабелей переменного тока воздушной прокладки допустимая токовая на-
грузка определяется как [3]
см. уравнение в книге (2.7)
где Δθ [K] — допустимое повышение температуры проводника в сравнении с тем-
пературой окружающей среды; Wd [Вт/м] представляет собой диэлектрические
потери на единицу длины на фазу; n — это количество проводников в кабеле;
R [Ом/м] – сопротивление проводника переменному току при максимальной ра-
бочей температуре; Ti [K ∙ м/Вт] — тепловое сопротивление, а именно: T1 — тепло-
вое сопротивление между проводником и внутренней оболочкой, T2 — тепловое
сопротивление между внутренней оболочкой и оплеткой, T3 — тепловое сопро-
тивление внешней оболочки, а T4 — тепловое сопротивление окружающей среды.
При оценке потерь учитывается несколько величин: сопротивление перемен-
ному току, диэлектрические потери, потери во внутренней оболочке и экране,
потери в оплетке, креплениях и стальных трубках. Здесь рассматриваются только
сопротивление переменному току и диэлектрические потери, более подробную
информацию о потерях на внутренней оболочке, экране, оплетке, креплениях
и стальных трубках можно найти в стандарте МЭК 60287-1-1 [3]. С учетом мак-
симальной рабочей температуры сопротивление переменному току на единицу
длины проводника задается формулой
см. уравнение в книге (2.8)
где R [Ом/м] — сопротивление проводника переменному току при максимальной
рабочей температуре; Rʹ — сопротивление проводника постоянному току при
максимальной рабочей температуре; ys — коэффициент поверхностного эффек-
та (скин-эффекта); yp — коэффициент эффекта близости. Оценку этих величин
можно получить в соответствии со стандартом МЭК 60287-1-1 [3]. Сопротивление
кабеля выше при передаче переменного тока, чем при передаче постоянного тока,
главным образом это связано со скин-эффектом, эффектом близости, потерями
на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах, а также наведен-
ными потерями в короткозамкнутых неферромагнитных материалах [2]. Обычно
рассматриваются только скин-эффект и эффект близости, за исключением случа-
ев кабелей очень высокого напряжения.
Диэлектрические потери на единицу длины для каждой фазы определяются
по выражению
см. уравнение в книге (2.9),
где ω = 2πf; C [Ф/м] — это емкость на единицу длины; U0 [В] — напряжение от-
носительно заземления. Приложение переменного напряжения к бумажной или
твердой изоляции приводит к возникновению зарядных токов, поскольку изо-
ляция выступает в роли большого конденсатора. Каждый раз, когда изменяется
полярность напряжения, электроны должны перестроиться, совершив опреде-
ленную работу, которая переходит в тепло, таким образом приводя к потерям ак-
тивной мощности, так называемым диэлектрическим потерям [2].
Как можно видеть из уравнения, диэлектрические потери зависят от напряже-
ния, а в табл. 3 стандарта МЭК 60287-1-1 [3] приведены значения U0 для распро-
страненных изоляционных материалов. Остальные величины, входящие в данное
уравнение, также можно найти в той же таблице.
Наконец, рассматривается внутреннее и внешнее тепловое сопротивление ка-
белей. Тепловые сопротивления T1, T2 и T3 на единицу длины кабеля определяют-
ся по отдельности. Для одножильных кабелей тепловое сопротивление Т1 между
одним проводником и его внутренней оболочкой определяется по формуле
см. уравнение в книге (2.10)
где ρT [К ∙ м/Вт] — тепловое сопротивление изоляции; dc [мм] — диаметр проводни-
ка; t1 [мм] — это толщина изоляции между проводником и внутренней оболочкой.
Тепловое сопротивление изоляционных материалов приведено в табл. 1
МЭК 60287-2-1 [4]. В той же части международного стандарта даны определе-
ния T1 для бронированных кабелей, трехжильных кабелей, маслонаполненных
кабелей, а также кабелей типа SL и SA. Кабели типа SL и SA — это круглые од-
ножильные кабели с металлической внутренней оболочкой, в которых электро-
статическая лента выполняет роль изоляционного экрана. Аббревиатуры SL и SA
означают свинцовую или алюминиевую оболочку (Sheathing with Lead, Sheathing
with Aluminium) соответственно [5].
Тепловое сопротивление между внутренней оболочкой и оплеткой для одно-
фазного, двухфазного и трехфазного кабелей с общей металлической оплеткой
см. уравнение в книге (2.11)
где Ds [мм] — внешний диаметр оболочки; t2 [мм] — толщина подушки. Для кабе-
лей типа SL и SA определение приведено в стандарте МЭК 60287-2-1 [3].
Тепловое сопротивление T3 внешней оболочки, которая имеет вид концен-
трических слоев, задается уравнением
см. уравнение в книге (2.12)
где Daʹ [мм] — внешний диаметр оплетки; t3 [мм] — ее толщина. Дополнительный
анализ теплового сопротивления для гофрированных оболочек и кабелей трубно-
го типа приведен в стандарте МЭК 60287-2-1 [4].
Оценка теплового сопротивления внешней среды T4 изменяется в зависимо-
сти от того, защищен ли кабель от прямых солнечных лучей или непосредственно
подвержен солнечному излучению. В первом случае формула имеет вид
см. уравнение в книге (2.13),
где De
* [м] — внешний диаметр кабеля для гофрированных оболочек; h — коэффи-
циент рассеивания тепла (см. [4]).
Международный стандарт также задает методы расчета Δθs — повышения
температуры поверхности кабеля по сравнению с температурой окружающей
среды. Для групп кабелей воздушной прокладки, защищенных от солнечной ра-
диации, метод для расчета понижающих коэффициентов приведен в стандарте
МЭК 60287-2-2 [6]. Данный метод применим, когда кабели закреплены близко
друг к другу, но ограничен:
•максимум девятью кабелями, составленными в квадрат;
•максимум шестью цепями, каждая из которых состоит из трех кабелей, со-
бранных в виде трилистника, при этом до трех цепей могут быть расположе-
ны бок о бок или две цепи расположены друг над другом.
Для второго случая, когда кабели подвержены прямому воздействию солнеч-
ных лучей, изменение будет заключаться в расчете Δθs, как подробно описано
в стандарте МЭК 60287-2-1 [4].
Конкретные условия эксплуатации кабелей отличаются в зависимости от стра-
ны: характерная температура окружающей среды и тепловое сопротивление по-
чвы могут иметь различные значения для разных стран.
В стандарте МЭК 60287-3-1 [7] представлены стандартные рабочие условия,
когда параметры взяты не из национальных таблиц.
Национальные параметры доступны для Австралии, Австрии, Канады, Фин-
ляндии, Франции, Германии, Италии, Японии, Нидерландов, Норвегии, Поль-
ши, Швеции, Швейцарии, Соединенного Королевства и Соединенных Штатов
Америки.
Если национальные параметры неизвестны, следует использовать таблицы
(табл. 2.2 и 2.3).
Для того чтобы завершить этот этап, покупатель должен получить у произ-
водителя кабелей подробный список требуемой информации, необходимой для
выбора соответствующего типа кабеля. Должна быть предоставлена информация
об условиях эксплуатации и параметрах установки.
С учетом условий эксплуатации информация, необходимая для выбора соот-
ветствующего типа кабеля, выглядит следующим образом:
а) номинальное напряжение системы, U;
б) наибольшее напряжение трехфазной системы, Um;
в) грозовое перенапряжение;
г) частота системы;
д) тип заземления;
е) обеспечение условий окружающей среды, например:
•высота над уровнем моря, если выше 1000 м,
•внутренняя или наружная установки,
•чрезмерное загрязнение атмосферы,
•коммутации элегазового выключателя;
ж) максимальный номинальный ток: для непрерывной эксплуатации, для пе-
риодической эксплуатации и для эксплуатации в аварийном режиме или
режиме перегрузки (при наличии такого);
з) ожидаемые токи симметричных и несимметричных коротких замыканий,
возникающих как при замыкании двух фаз, так и при замыкании фазы
на землю;
и) максимальное время, в течение которого кабель выдерживает ток коротко-
го замыкания.
Требуемые параметры установки можно подразделить на общие параметры,
параметры для подземных кабелей и для кабелей воздушной прокладки. Подроб-
ную информацию о параметрах для подземных кабелей можно найти в [7]. Для
общих параметров необходимой информацией являются:
а) длина и профиль трассы;
б) способы прокладки, крепления и заземления металлических оболочек;
в) особые условия прокладки, например, в воде. В отдельных случаях требует-
ся особое рассмотрение.
Для определения параметров кабелей воздушной прокладки необходима сле-
дующая информация:
а) минимальная, максимальная и средняя температура окружающего воздуха;
б) тип установки;
в) особенности вентиляции;
г) подверженность воздействию прямых солнечных лучей;
д) особые условия, например риск возгорания.
2.3. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Обычно при выборе размера кабеля не учитываются затраты на потери, возни-
кающие в течение его срока службы. По сути, такой выбор делается на основе
минимально допустимой площади поперечного сечения, что минимизирует пер-
воначальные инвестиционные затраты на кабель, но не учитывает весь его срок
службы. Поэтому следует минимизировать начальные затраты и затраты на поте-
ри (см. МЭК 60287-3-2 [8]) с учетом увеличения нагрузки и стоимости энергии,
чтобы обеспечить должную минимизацию суммы будущих затрат на энергетиче-
ские потери и начальных затрат на покупку и установку.
Затраты на покупку и установку складываются с затратами на потери энергии,
и в сумме все затраты выражаются в сопоставимых экономических величинах,
которые далее обозначаются как «у.е.». Дата покупки поэтому рассматривается
как «настоящее», а будущие затраты, связанные с расходами на потери энергии,
следует преобразовать в их эквивалентные «текущие значения». Для этого при-
меняется процесс «дисконтирования», так как ставка дисконтирования связана
со стоимостью заемных средств. Условия и финансовые ограничения отдельных
установок влияют на расчет текущего значения затрат на потери. Чтобы получить
это значение, безусловно, необходимо выбрать соответствующие параметры бу-
дущего изменения нагрузки, ежегодного увеличения стоимости кВт ∙ ч, а также
годовой ставки дисконтирования в течение экономического срока службы кабеля.
Существует два различных способа рассчитать экономически оптимальный
размер кабеля. При первом способе для конкретной установки и для каждого раз-
мера проводника рассчитывается диапазон оптимальных с экономической точки
зрения токов. После этого необходимо выбрать тот размер проводника, диапазон
оптимальных токов которого содержит требуемое значение тока нагрузки. Второй
метод больше подходит для единичной установки: вычисляется площадь опти-
мального поперечного сечения для требуемого тока нагрузки, а затем к ней под-
бирается ближайший стандартный размер проводника. Экономические аспекты
не являются единственными, которые необходимо рассматривать при выборе
оптимального размера проводника. Существует следующий ряд других задач, ко-
торые необходимо решить в связи с этим.
1. Рассчитать экономически оптимальную площадь сечения.
2. Убедиться, что кабель вычисленного размера выдержит максимальный на-
грузочный ток, который может возникнуть, а также учесть температурные
ограничения.
3. Проверить токи короткого замыкания и утечки на землю.
4. Проверить пределы падения напряжения.
5. Учесть другие критерии, которые могут повлиять на установку.
Наконец, следует также учитывать аспект качества электроэнергии.
2.4. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА:
СУММАРНЫЕ ЗАТРАТЫ
Первым этапом при определении оптимального размера кабеля является вычис-
ление общей стоимости установки и эксплуатации кабеля в течение его экономи-
ческого срока службы. Все затраты должны быть выражены в текущих значениях,
а уравнение суммарных затрат (CT — Cost of Total) имеет следующий вид:
см. уравнение в книге, (2.14)
где CI (Cost of Install) — стоимость установленной длинны кабеля; CJ (Cost
of Joule) — эквивалентные затраты на джоулевы потери в пересчете на текущее
значение.
2.4.1. Определение CJ
Затраты, обусловленные джоулевыми потерями, состоят из двух частей: платы
за электроэнергию и платы за дополнительные поставки для компенсации потерь.
Затраты на оплату энергии (CE — Cost of Energy) первоначально определяют-
ся для энергетических потерь за первый год (EL — Energy Loss) [Вт ∙ ч], которые
выражаются как
см. уравнение в книге, (2.15)
где Imax — максимальная токовая нагрузка кабеля в течение первого года; R — со-
противление проводника переменному току с учетом скин-эффекта, эффекта
близости и потерь в металлических экранах и оплетке; l — длина кабеля; Np — ко-
личество фазовых проводников в цепи; Nc — количество цепей с такой же вели-
чиной и типом нагрузки. Параметр T представляет собой количество часов в год,
в течение которых при протекании максимального тока Imax годовые потери энер-
гии равны таковым при фактическом изменяющемся токе нагрузки. Определяет-
ся данный параметр по выражению
см. уравнение в книге (2.16),
где t — время в часах; I (t) — ток нагрузки как функция времени.
Наконец, затраты на потери в первый год выражаются как
см. уравнение в книге, (2.17)
где P — стоимость одного Вт ∙ ч энергии при соответствующем уровне напряжения.
Затраты на дополнительную мощность (CA — Cost Additional) [произвольная
валютная единица/год] равны
см. уравнение в книге, (2.18)
где D — плата за потребление в год.
С учетом CE и CA общие затраты (OC — Overal Cost) [у.е.] за первый год явля-
ются суммой вычисленных выше составляющих, и если затраты возникают в кон-
це года, то осуществляется пересчет на текущее значение:
см. уравнение в книге (2.19),
Текущее значение затрат на энергию [у.е.] в течение N лет эксплуатации в пе-
ресчете на дату приобретения кабеля равно
см. уравнение в книге (2.20),
где Q — коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки, увеличение стоимо-
сти энергии за N лет и ставку дисконтирования i.
см. уравнение в книге (2.21).
Здесь a и b — увеличение нагрузки и увеличение стоимости энергии за год.
Суммарные затраты [у.е.] вычисляются путем суммирования CI и CJ.
см. уравнение в книге (2.22)
где параметр F [у.е./Вт] выражается формулой
см. уравнение в книге (2.23).
2.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭКОНОМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
ПРОВОДНИКА
Для оценки экономически оптимального размера проводника можно применить
два подхода: в первом анализируется диапазон значений экономического тока для
каждого проводника в линейке сечений, а во втором рассматривается экономиче-
ски оптимальный размер проводника для заданной нагрузки.
2.5.1. Диапазон экономически оптимальных токов
для каждого проводника в линейке сечений
Для заданных условий установки все размеры проводника имеют диапазон эко-
номически оптимального тока [А], для которого задан верхний и нижний предел.
Для заданного сечения проводника верхним и нижним пределами будут
см. уравнение в книге (2.24)
где CI — стоимость установленной длины кабеля с рассматриваемым разме-
ром проводника, выраженная в у.е., то есть произвольных валютных единицах;
R [Ом/м] — сопротивление переменному току на единицу длины проводни-
ка рассматриваемого размера; CI1 [у.е.] — стоимость следующего стандартного
проводника меньшего размера; R1 [Ом/м] — сопротивление переменному току
на единицу длины следующего стандартного проводника меньшего размера;
CI2 [у.е.] — стоимость следующего стандартного проводника большего размера;
R2 [Ом/м] — сопротивление переменному току на единицу длины следующего
стандартного проводника большего размера.
2.5.2. Экономически оптимальное сечение проводника
для заданной нагрузки
Экономически оптимальный размер проводника — это такое поперечное сечение
проводника, которое минимизирует функцию суммарных затрат [у.е.]:
см. уравнение в книге (2.25)
Уравнение для соотношения между CI (S) и размером проводника может быть
выведено из известной стоимости кабелей стандартных размеров. Удельное со-
противление проводника [Ом/м] можно выразить как функцию от его попереч-
ного сечения (см. МЭК 60287-1-1):
см. уравнение в книге , (2.26)
где ρ20 [Ом/м] — удельное сопротивление проводника постоянному току; yp — эф-
фект близости, см. МЭК 60287-1-1 [3]; ys — скин-эффект, см. МЭК 60287-1-1;
λ1 представляет собой коэффициент потерь во внутренней оболочке, см. МЭК
60287-1-1; λ2 представляет собой коэффициент потерь в оплетке, см. МЭК 60287-1-1
[3]; α20 [K−1] — температурный коэффициент удельного сопротивления для кон-
кретного материала проводника при 20 °C; θm [°C] — температура проводника;
S [мм2] — поперечное сечение проводника кабеля.
Если величину начальных затрат [у.е.] для рассматриваемого типа кабеля и его
установки можно аппроксимировать линейной моделью, тогда
см. уравнение в книге, (2.27)
где A [у.е./м, у.е./мм2] — переменная составляющая затрат, связанная с размером
проводника; С [у.е./м] — постоянная составляющая стоимости, которая не зави-
сит от размера кабеля; l [м] представляет собой длину кабеля.
Оптимальный размер [мм] можно получить с помощью решения уравнения
для CT (S):
см. уравнение в книге , (2.28)
Этот параметр не будет в точности равен какому-либо стандартному размеру,
потребуется провести расчеты с большим и меньшим стандартным размером ка-
беля, чтобы выбрать наиболее экономически оптимальный.
2.6. ВЫВОДЫ
Расчеты допустимой токовой нагрузки необходимы для того, чтобы установить
максимальный ток, который способен выдержать кабель без риска старения или
повреждения. Для проведения расчетов допустимой токовой нагрузки необхо-
димо знать технические критерии, а распространенные методы выбора размера
кабеля позволяют найти его минимальную допустимую площадь сечения. Таким
образом минимизируется первоначальная стоимость, но не минимизируются за-
траты на потери, которые возникнут в течение срока службы кабеля. За последнее
десятилетие стоимость энергии в западных странах быстро возрастает, а новые
изоляционные материалы допускают эксплуатацию при более высоких темпера-
турах, чем раньше. Вместо того чтобы просто минимизировать первоначальные
затраты, необходимо минимизировать сумму начальных затрат и затрат на потери
за экономический срок службы кабеля.
Список литературы
1. Ranasamy Natarajan. Computer-Aided Power System Analysis, CRC, 2002.
2. Anders G.J. Rating of Electric Power Cables in Unfavorable Thermal Environment, Wiley-IEEE Press, May 2005.
3. МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 1-1. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки (100 % коэффициент
нагрузки) и расчет потерь. Общие положения.
4. МЭК 60287-2-1. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 2-2. Тепловое сопротивление. Расчет теплового сопротивления.
5. Moore G.F. Electric Cables Handbook, 3rd edn, BICC Cables, 2004.
6. МЭК 60287-2-2. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 2-2. Тепловое сопротивление. Метод расчета коэффициентов снижения макси-
мально допустимой токовой нагрузки для групп кабелей, проложенных на воздухе и за-
щищенных от прямого солнечного излучения.
7. МЭК 60287-3-1. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 3-1. Условия эксплуатации. Нормированные условия эксплуатации и выбор типа
кабеля.
8. МЭК 60287-3-2. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 3-2. Разделы, касающиеся условий эксплуатации. Экономическая оптимизация
размера силовых кабелей.
Angelo Baggini
Industrial Engineering Department
University of Bergamo
Via Marconi 5 24044 Dalmine BG, Italy
Joan Bergas-Jané
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Franco Bua
ECD Engineering Consulting and Design
Vai Maffi 21
27100 Pavia, Italy
Mircea Chindris
Electrical Power Systems Dept.
Technical University of Cluj-Napoca
15, C. Daicoviciu st.
400020 Cluj-Napoca, Romania
Andrei Czicker
Electrical Power Systems Dept.
Technical University of Cluj-Napoca
15, C.Daicoviciu st.
400020 Cluj-Napoca, Romania
Wim Deprez
Dept. Electrical Engineering ESAT
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Paola Pezzini
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
K.U. Leuven, Research group ELECTA
Kasteelpark Arenberg 10
3001 Heverlee, Belgium
Stefan Fassbinder
Berantung elektrotechnische Anwendungen
Deutsches Kupferinstitut
Am Bonneshof 5
D-40474 Dusseldorf, Germany
Zbigniew Hanzelka
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30
Poland
Joris Lemmens
Dept. Electrical Engineering ESAT
K.U. Leuven, Research group ELECTA
Kasteelpark Arenberg 10
3001 Heverlee, Belgium
Annalisa Marra
ECD Engineering Consulting and Design
Vai Maffi 21
27100 Pavia, Italy
Daniel Montesinos-Miracle
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Andreas Sumper
Centre d’Innovació Tecnològica en
Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica
Industrial de Barcelona
Carrer Comte d’Urgell, 187 — 08036
Barcelona, Spain
Krzysztof Piątek
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30,
Poland
Edris Pouresmaeil
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
Jaume Salom
Institut de Recerca en Energia
de Catalunya (IREC)
Jardins de les Dones de Negre 1, 2a pl.
08930 Sant Adrià de Besòs, Spain
Antoni Sudrià-Andreu
Centre d’Innovació Tecnològica
en Convertidors Estàtics i Accionaments
(CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya
(UPC)
Escuela Técnica Superior de Ingeniería
Industrial de Barcelona
Av. Diagonal, 647. Planta 2 08028
Barcelona, Spain
and
Institut de Recerca en Energia de Catalunya
(IREC)
Jardins de les Dones de Negre 1, 2a pl.
08930 Sant Adri`a de Bes`os, Spain
Waldemar Szpyra
University of Science and Technology —
AGH
30-059 Cracow, Al. Mickiewicza 30,
Poland
Roman Targosz
Polish Copper Promotional Centre
Plac Jana Pawla II 1-2
50-136 Wrocalw, Poland
Roberto Villafáfila-Robles
Centre d’Innovació Tecnològica en Convertidors
Estàtics i Accionaments (CITCEA)
Universitat Politècnica de Catalunya (UPC)
Escola Universitària d’Enginyeria Tècnica
Industrial de Barcelona
Carrer Comte d’Urgell, 187 — 08036
Barcelona, Spain
Irena Wasiak
Politechnika Łódzka
Wydział Elektrotechniki, Elektroniki,
Automatyki i Informatyki
Instytut Elektroenergetyki
ul. Stefanowskiego 18/22
90-924 Łódź, Poland
Введение
Энергосберегающие технологии — это общее для различных инженерных обла-
стей название технологий, используемых для повышения эффективности энерго-
потребления приборами и системами. Поскольку электроэнергия является наи-
более гибкой формой энергии, известной людям, и одной из наиболее важных
форм энергии, используемой в промышленности и коммерческой сфере, следу-
ет уделить особое внимание эффективности ее использования. Таким образом,
технологии повышения энергоэффективности — это ряд мероприятий, которые
направлены на повышение эффективности использования энергии в различных
областях. Такие технологии широко распространены и варьируются от задачи
обеспечения качества электрической энергии до теплотехники в электроэнерге-
тических системах с учетом экономических аспектов.
Наряду с электробезопасностью в ближайшие годы эффективность использо-
вания электроэнергии станет одним из обязательных критериев при проектиро-
вании любых процессов, установок или зданий.
Трудность при разработке технологий энергоэффективности заключается
в получении целостного взгляда на ту или иную сферу применения. Определенные
знания конкретной технологии требуются в большинстве случаев, но для дости-
жения общей цели энергосбережения абсолютно необходимо глубокое понимание
производственных процессов и решаемых задач. Зачастую оптимальные решения
частных вопросов обеспечивают недостаточный вклад в общую энергоэффек-
тивность процесса. Инженеры должны обладать многопрофильными знаниями,
в частности знаниями об электрических системах, качестве электрической энер-
гии, методах контроля и тепловых процессах. Кроме того, важным аспектом ква-
лификации является умение анализировать производственный процесс и опреде-
лять, какие меры по повышению его эффективности следует предпринять.
Повышение уровня энергоэффективности тесно связано с оценкой, главным
образом инвестиционной, соответствующих мер, которые необходимо пред-
принять. Эффективные решения часто требуют увеличения вложений и обыч-
но нуждаются в одобрении со стороны руководства. Руководитель также должен
понимать, как энергосберегающие мероприятия могут повысить эффективность
процесса и, тем самым, позволят увеличить производительность.
В 2000 г. группа ученых и промышленников запустила постоянно действующую
программу обучения, софинансируемую Европейской комиссией и посвящен-
ную проблемам качества электроэнергии под названием «Инициатива Leonardo»
(LPQI — Leonardo Power Quality Initiative). Благодаря этому проекту была сформиро-
вана сеть экспертов в области энергетики, которые создали несколько дополнитель-
ных проектов, таких как LPQIves и Leonardo Energy. Основная информация об этих
программах доступна на веб-странице Leonardo Energy (http://www.leonardoenergy.
org). Вдохновленные этим проектом, некоторые члены рабочей группы внесли свой
вклад в подготовку «Справочника по качеству электроэнергии» (Handbook of Power
Quality), выпущенного в 2008 г. под редакцией Анджело Баггини.
В ходе одного из совещаний по проекту в Брюсселе в 2008 г. родилась идея
всеобъемлющей книги о проблемах энергоэффективности, а в последующие годы
было проработано содержание книги.
Новаторский подход этой книги заключается в том, чтобы доступно ознако-
мить читателя с технологиями, позволяющими повысить уровень эффективно-
сти использования электроэнергии, и сферами применения таких технологий.
Из этой всеобъемлющей книги читатель узнает о различных методах энерго-
сбережения, а также об экспертном мнении по поводу большинства промышлен-
ных и коммерческих сфер электроэнергетики. В каждой главе рассматриваются
различные мероприятия, направленные на достижение энергоэффективности,
в широком диапазоне их сфер применения.
Прежде чем вы приступите к изучению этой книги, мы хотели бы отметить
важный вклад всех авторов различных глав со всего мира. Без их экспертных мне-
ний данная работа была бы невозможна. Мы надеемся, что процесс чтения этой
книги будет для вас интересным.
Андреас Сампер, Барселона, Испания
Анджело Баггини, Павиа, Италия
Предисловие
Нет никаких сомнений в том, что энергетическая безопасность и изменение кли-
мата являются одними из самых часто обсуждаемых тем среди политиков. Се-
годня цена на нефть находится на уровне около 100 долларов за баррель и из-за
растущего спроса и продолжающегося истощения резервов такой уровень цен
будет сохраняться или даже увеличиваться1. Антропогенный характер изменения
климата больше не является предметом обсуждения в научном сообществе, так же
как и тревожные новости о том, что его необратимые последствия уже начались
и только резкое снижение уровня выбросов CO2 позволит смягчить их величину
и весьма затратное влияние на общество.
Вопросы энергоэффективности и энергосбережения приобретают все боль-
шее значение в качестве ключевых составляющих многих национальных и между-
народных стратегий по смягчению последствий изменения климата, повышению
безопасности энергоснабжения и конкурентоспособности, сохранению природ-
ных ресурсов (в частности энергии, материалов и воды), а также по снижению
уровня других видов загрязнения окружающей среды, связанных с энергетикой.
Однако уровень инвестиций в разработку и внедрение энергосберегающих тех-
нологий в строительстве, производстве оборудования и промышленных системах
остается значительно ниже, чем того требуют экономика, энергетика и ситуация
с изменением климата.
Стратегии, программы и проекты поддержки энергосберегающих технологий
остаются крайне необходимыми для преодоления рыночных, институциональ-
ных, финансовых и правовых барьеров, а также для создания благоприятного
рынка инвестиций в энергосбережение на том уровне, который будет оправдан
рациональным экономическим поведением. В частности, проекты поддержки
энергосберегающих технологий очень активно обсуждаются, поскольку считает-
ся, что в будущем экономическая составляющая энергосбережения должна быть
достаточно высокой, чтобы мотивировать конечных пользователей.
Другая важная проблема связана с пониманием того, что главной задачей
в вопросе изменения климата является сокращение абсолютного уровня потреб-
ления энергии, если мы хотим смягчить неизбежное воздействие климатических
изменений. Снижение энергопотребления может быть достигнуто за счет повы-
шения энергоэффективности используемых систем (технологический аспект)
и/или за счет реализации мер по энергосбережению, не обязательно связанных
с технологическими усовершенствованиями (поведенческий аспект, к примеру
уменьшение перегрева или избыточного охлаждения, сокращение продолжи-
тельности использования автомобиля). Энергоэффективность является важной
составляющей энергосбережения, поскольку она позволяет использовать меньше
энергии для получения необходимого результата (например освещения, охлаж-
дения, отопления). Однако увеличение энергоэффективности, т.е. замена старых
технологий на более энергоэффективные, само по себе не обеспечивает сбере-
жения энергии. Существует множество примеров, когда в результате внедрения
более эффективной технологии фактическое потребление увеличивалось из-за
эффекта отскока или вследствие установки более мощных приборов, а также
большего их количества (большая мощность приборов, более интенсивное их ис-
пользование).
Интерес к энергоэффективности и энергосбережению возрос среди полити-
ков, экономистов и ученых (с точки зрения технологии, экономики, политики
и социальных аспектов). Существует необходимость дальнейшего изучения энер-
госберегающих технологий (таких как системы управления, светодиодное осве-
щение, частотно-регулируемые приводы и вакуумная изоляция), а также обобще-
ния данных о социально-экономических аспектах потребления энергии. В то же
время при активизации действий в области энергоэффективности и энергосбе-
режения возникает необходимость анализа опыта реализации данной деятельно-
сти в различных странах, для того чтобы продемонстрировать очевидный вклад
повышения энергоэффективности в энергетическую безопасность и смягчение
последствий изменения климата.
Паоло Бертольди
Европейская комиссия
Центр совместных научных исследований
Испра, Италия
ГЛАВА 1
Обзор стандартизации в сфере
энергетической эффективности
Франко Буа и Анджело Баггини
Столкнувшись с нефтяными кризисами в 1970-х гг., многие страны начали актив-
но внедрять меры по повышению энергетической эффективности во всех сферах
экономики. В результате принятых регламентированных подходов и сопутствую-
щих структурных изменений в экономике этим странам удалось преодолеть зави-
симость экономического роста от потребления энергетических ресурсов.
Темп снижения энергоемкости в разные периоды времени отличался; так,
в большинстве стран энергопотребление динамичнее снижалось в период с 1970
по 1990 гг.1
Согласно информации, предоставленной Международным энергетическим
агентством (англ. International Energy Agency — IEA), резкие колебания цен
на нефть в 1970-х гг. и выработанное в качестве ответных мер законодательство
в области энергопотребления оказали большее влияние на контроль роста потре-
бления энергетических ресурсов и выбросов углеводородов, нежели законодатель-
ство в сфере энергетики и охраны окружающей среды, внедренное в 1990-х гг.2
При этом в начале 2000-х гг. наблюдалась тенденция к улучшению ситуации
в области энергопотребления, которая, скорее всего, была связана с ростом цен
на энергетические ресурсы и повышенным вниманием общественности к вопро-
сам климатических изменений.
Совершенно ясно, что в настоящее время повышение энергетической эф-
фективности является приоритетным направлением политического курса пра-
вительств многих стран, поскольку это ключ к решению задач по обеспечению
энергетической безопасности, а также проблем в сфере экологии и экономики.
В целях оказания поддержки государственным органам в сфере повышения
энергетической эффективности в наиболее приоритетных областях3 многие ор-
ганизации приняли участие в подготовке как рекомендаций, так и конкретных
мероприятий. Каждая страна вырабатывает собственную оптимальную страте-
гию для внедрения мероприятий, направленных на повышение энергетической
эффективности, с учетом своей уникальной экономической, социальной и поли-
тической конъюнктуры.
Мировой энергетический совет (англ. World Energy Council — WEC)1 пред-
лагает следующую классификацию практик и мероприятий2 в сфере повышения
энергетической эффективности:
•государственные структуры и программы:
- государственные структуры — агентства (общенациональные, региональ-
ные и местные), департамент соответствующего министерства;
ۍۍ национальные программы повышения энергетической эффективности
с установленными количественными целевыми показателями и законо-
дательными нормами;
•меры по регулированию:
- минимальный набор стандартов в области энергетической эффективно-
сти и маркировки электрооборудования (например холодильников, сти-
ральных машин, кондиционеров воздуха, осветительных приборов, во-
донагревателей, двигателей), автомобилей и зданий (вновь построенных
и ранее возведенных);
- иные регуляторные требования для установленных категорий потреби-
телей: обязательное введение должности энергетического менеджера,
обязательные отчеты об энергопотреблении, обязательное достижение
показателей сокращения энергопотребления и обязательное техническое
обслуживание;
- обязательства по энергосбережению для энергетических компаний, рабо-
тающих на потребительских рынках;
•финансовые и налоговые меры:
- отраслевые субсидии на оплату расходов при проведении аудитов (в сфе-
ре промышленности и торговли, общественные учреждения, домохозяй-
ства, малообеспеченные домохозяйства, транспорт);
- субсидии либо кредитование на льготных условиях (т.е. кредиты с суб-
сидированными процентными ставками) предприятий в различных от-
раслях, инвестирующих в повышение энергетической эффективности
и энергоэффективное оборудование;
•налоговые меры:
- отсрочка уплаты налогов;
- ускорение амортизации;
- снижение налогов на инвестиции, направленных на повышение энер-
гетической эффективности, по типам налогов (налог на импорт, НДС,
налог на покупку, ежегодный налог на регистрацию транспортного сред-
ства) и по типам оборудования (оборудование бытового назначения, ав-
томобили, осветительные приборы);
•межотраслевые меры:
- инновационные средства коммуникации;
- добровольные соглашения между государственными органами и участни-
ками производственной деятельности.
Широкомасштабные исследования были проведены в целях определения эф-
фективности политики в области повышения энергетической эффективности.
Например, Международное энергетическое агентство проводит оценку самых пе-
редовых практик в данной области, выделяя их сильные стороны и области воз-
можного усовершенствования (табл. 1.11 и 1.22).
Несмотря на огромный потенциал, политику в области повышения энер-
гетической эффективности достаточно трудно реализовать3. Почему же? В ре-
зультате повышения энергетической эффективности возникают различные пре-
пятствия, например отсутствие доступа к финансовым ресурсам, необходимым
для инвестиций в повышение энергетической эффективности, недостаточная
информированность в области энергосбережения, а также дополнительные из-
держки, которые не заложены в цены на энергетические ресурсы. Кроме того,
нельзя исключать и экономические кризисы, которые могут негативно повлиять
на политический курс, направленный на внедрение практик в области энергети-
ческой эффективности.
Программам энергосбережения приходится конкурировать за финансирова-
ние с другими приоритетными программами, такими как обеспечение занятости
населения, здравоохранение и социальное обеспечение.
1.1. Стандартизация
Как было сказано выше, в процессе повышения энергетической эффективно-
сти постоянно возникают препятствия, среди которых недостаточная осведом-
ленность о потенциально возможной экономии энергетических ресурсов, недо-
стоверная информация о текущем уровне эффективности оборудования и его
контрольных показателях эффективности, учет эффективности отдельных ком-
понентов оборудования и пренебрежение данными о выработке энергоресурсов
и энергопотребления всей системы, конфликт интересов, а также стремление
снизить первоначальные затраты на энергосбережение вместо попыток сниже-
ния затрат на жизненный цикл оборудования. Применение соответствующих
стандартов может помочь в преодолении некоторых препятствий. Например,
в стандартах содержится информация об общепринятых методиках измерений
и испытаний, необходимых для оценки энергопотребления, способах его сниже-
ния посредством применения новых технологий и процессов, а также средствах
систематизации наилучших практик и процессов управления, направленных
на эффективное потребление энергетических ресурсов и энергосбережение.
Кроме того, в стандартах представлена информация о порядке проверки
на предмет соответствия проектным требованиям и методические указания, при-
менимые как на этапе проектирования новых систем, так и в процессе модерни-
зации существующих систем и оборудования. Благодаря стандартам появляется
возможность использовать типовые методики расчетов и проводить обоснован-
ные сверки с альтернативными методиками в определенных ситуациях. Также
стандарты помогают создать необходимую инфраструктуру для внедрения новых
технологий и обеспечить эксплуатационную совместимость.
В следующих разделах приведен обзор текущей деятельности по стандартиза-
ции в области энергетической эффективности.
1.1.1. Стандарты ISO
Деятельность Международной организации по стандартизации (англ. International
Organization for Standardization — ISO) в области энергосбережения началась
в июне 2007 г. после того, как рабочая группа по энергосбережению и возобновля-
емым источникам энергии Совета ISO (далее Совет) определила пять высокопри-
оритетных направлений, обладающих наибольшим потенциалом с точки зрения
оптимизации энергопотребления и сокращения выбросов парниковых газов:
•использование типовых методик расчетов;
•применение стандартов энергетического менеджмента;
•использование биотоплива;
•техническое перевооружение и реконструкция;
•повышение энергетической эффективности зданий.
В соответствии с поручением Совета2 технический руководящий аппарат
(англ. Technical Management Board — TMB) создал стратегическую консультатив-
ную группу (англ. Strategic Advisory Group — SAG) по вопросам энергетической
эффективности и возобновляемым источникам энергии3 на первоначальный пе-
риод в два года (до февраля 2010 г.). Стратегической консультативной группе было
поручено консультировать технический руководящий аппарат и оказывать мето-
дологическую поддержку в вопросах применения приоритетных стандартов и со-
вершения необходимых действий, включая привлечение заинтересованных сто-
рон и сотрудничество с другими международными организациями, координацию
действий ISO и технических комитетов и пр. Основной целью являлось ускорение
процесса разработки программы стандартизации в области повышения энергети-
ческой эффективности, предназначенной для соблюдения национальных интере-
сов и потребностей рынка.
Стратегическая консультативная группа экспертов подготовила обширный
доклад, включающий в себя 66 рекомендаций, получивших одобрение со стороны
технического руководящего аппарата. Впоследствии деятельность стратегической
консультативной группы была продлена еще на три года.
1.1.1.1. Стандарт ISO 50001
В феврале 2008 г. технический руководящий аппарат одобрил создание нового про-
ектного комитета, ISO/PC 242 «Энергетический менеджмент»4, используя уже сло-
жившиеся практики и существующие национальные и региональные стандарты.
Впоследствии стандарт ISO 50001 позволит внедрить международные подхо-
ды по управлению энергосистемами объектов промышленного и коммерческого
назначения и целых компаний в целях контроля всех вопросов, связанных с энер-
гетическими ресурсами, включая их закупку и потребление. В июне 2011 г. в результате четырех заседаний проектного комитета, проходивших в течение двух лет, был опубликован стандарт ISO EN 50001, который в октябре того же года
был утвержден Европейским комитетом по стандартизации (фр. Comité Européen
de Normalisation — CEN) и Европейским комитетом электротехнической стан-
дартизации (фр. Comité Européen de Normalisation Électrotechnique — CENELEC).
Целью введения в действие стандарта ISO EN 50001 являлось предоставление ор-
ганизациям и компаниям общепринятого подхода для интеграции мероприятий
по энергетической эффективности в управленческие практики.
Благодаря ISO 50001 организации и компании получили технические и управ-
ленческие стратегии для повышения энергетической эффективности, снижения
издержек и улучшения экологических показателей.
1.1.1.2. Совместный проектный комитет 2 ISO/IEC
(англ. ISO/IEC JPC 2)
В 2009 г. ISO и Международная электротехническая комиссия (International
Electrotechnical Commission — IEC) создали совместный проектный комитет ISO/
IEC JPC 2 «Энергетическая эффективность и возобновляемые источники энер-
гии: общая терминология». Основной целью создания комитета являлась разра-
ботка стандарта, содержащего единые термины и определения в области энерге-
тической эффективности и возобновляемых источников энергии, которые были
разработаны с учетом специфики различных отраслей техническими комитетами
ISO и Международной электротехнической комиссией.
На первом заседании совместного проектного комитета в январе 2010 г. были
созданы следующие три рабочие группы (РГ):
•РГ № 1 «Энергетическая эффективность: концепты и схемы», координа-
тор — Американский национальный институт стандартов (ANSI, США);
•РГ № 2 «Материалы из существующих справочных документов», координа-
тор — Шведский институт стандартов (SIS/SEK, Швеция);
•РГ № 3 «Возобновляемые источники энергии: термины и определения»,
координатор — Французская ассоциация по стандартизации (ANFOR,
Франция).
Комитет начал работу по рассмотрению проекта стандарта в октябре 2011 г.
1.1.2. Международная электротехническая комиссия
(англ. IEC)
Подходы Международной электротехнической комиссии к энергосбережению
изложены в руководстве «Как противостоять энергетическому вызову»1. Данный
документ, разработанный Комитетом по рыночным стратегиям Международной
электротехнической комиссии, содержит информацию о мировом спросе на энер-
гетические ресурсы, потенциальных путях удовлетворения спроса на ближайшие
30 лет, а также информацию о непосредственной роли комиссии в данной области.
По мнению Международной электротехнической комиссии, для решения
проблем в области повышения энергетической эффективности необходим си-
стемный подход, принимающий во внимание все аспекты генерации, передачи
и потребления энергии, а также процедуры измерения и методы определения
энергетической эффективности для достоверной оценки предлагаемой модерни-
зации и решения технологических проблем (наилучшая доступная технология,
англ. Best Available Technology — BAT).
1.1.2.1. Исследовательская группа № 1
«Энергетическая эффективность
и возобновляемые источники энергии»
В 2007 г. Международная электротехническая комиссия приступила к учрежде-
нию вспомогательных органов для оказания своему управляющему комитету кон-
сультативной помощи по стратегическим вопросам, которые будут определять на-
правление будущей деятельности. Среди них была исследовательская группа № 1,
в компетенции которой входило решение задач в области повышения энергетиче-
ской эффективности.
Исследовательская группа № 1 была учреждена в начале 2007 г. для выполне-
ния следующих задач:
•анализ текущей ситуации в области энергетической эффективности и воз-
обновляемых источников энергии (существующие стандарты Международ-
ной электротехнической комиссии и проекты, находящиеся в разработке);
•выявление недостатков и возможностей для новых видов деятельности, вхо-
дящих в сферу компетенции Международной электротехнической комиссии;
•определение целей для повышения эффективности использования электриче-
ской энергии в процессах производства продукции и управления системами;
•формулировка рекомендаций для дальнейших действий.
Впоследствии эксперты из других групп, созданных Международной элек-
тротехнической комиссией, и организаций, таких как Международное энерге-
тическое агентство, Международная комиссия по освещению (фр. Commission
internationale de l’éclairage — CIE) и т.д., провели встречи для обмена опытом
о проделанной работе и достижениях в области энергетической эффективности
и возобновляемых источников энергии.
В результате работы, проведенной Исследовательской группой № 1, появились
34 рекомендации, направленные на ознакомление представителям среднего и ма-
лого бизнеса и членам технического комитета в целях получения комментариев.
1.1.2.2. Исследовательская группа № 3
«Интеллектуальные электрические сети»
Необходимо упомянуть еще одну исследовательскую группу, связанную с вопро-
сами повышения энергетической эффективности, а именно исследовательскую
группу № 3 «Интеллектуальные электрические сети». Исследовательская группа
№ 3, основанная в 2008 г., вырабатывает рекомендации в области динамично раз-
вивающихся концепций и технологий, которые могут стать основой для новых
международных стандартов или разработок технических комитетов Международ-
ной электротехнической комиссии в области технологий для интеллектуальных
электрических сетей.
Исследовательская группа № 3 разработала общий подход и рекомендации для
технических комитетов, вовлеченных в работу над интеллектуальными электри-
ческими сетями, а также создала «Дорожную карту развития интеллектуальных
электрических сетей»1, в которой представлены стандарты обеспечения взаимо-
действия систем, передачи и распределения, измерений, подключения потреби-
телей и обеспечения кибербезопасности.
1.1.2.3. Исследовательская группа № 4
«Сети электрические распределительные низковольтные
напряжением до 1500 В постоянного тока»
Исследовательская группа № 4 была основана в 2009 г. для систематизации, стан-
дартизации и координации деятельности, в ходе которой применяются распреде-
лительные сети низкого напряжения (например, в дата-центрах, потребляющих
энергию из возобновляемых источников, зданиях коммерческого назначения,
в аккумуляторах мобильных устройств и электромобилей, осветительных при-
борах, мультимедийных системах, информационно-коммуникационных устрой-
ствах и пр. оборудовании с блоками питания).
Несмотря на то что работа исследовательской группы № 4 не имеет прямого
отношения к повышению энергетической эффективности, она позволяет полу-
чить стратегически важные преимущества в случае реализации потенциала повы-
шения энергетической эффективности.
1.1.3. Европейский комитет по стандартизации
(фр. Comité Européen de Normalisation — CEN)
и Европейский комитет
электротехнической стандартизации
(фр. Comité Européen
de Normalisation Électrotechnique)
CEN и CENELEC с 2002 г. активно принимают участие в анализе проблем стандар-
тизации в области энергетической эффективности и выработке общей стратегии.
Интересным и важным можно считать факт изначальной совместной деятель-
ности CEN и CENELEC с применением единого системного подхода.
Совместная рабочая группа по направлению «Энергетический менеджмент»
Технического совета CEN/CENELEC была создана в начале 2002 г. для разработ-
ки единообразной стратегии стандартизации в области энергетической эффек-
тивности в европейских странах, а также для единого понимания поставленных
целей всеми членами CEN/CENELEC.
Данная рабочая группа экспертов выступала в качестве технических консуль-
тантов в составе CEN и CENELEC по всем политическим и стратегическим во-
просам, относящимся к стандартизации в области повышения энергетической
эффективности с 2002 по 2005 гг. Основные результаты работы группы приведены
в отчете1, содержащем обзор предложений по стандартизации в области энергети-
ческого менеджмента, разделенных на три уровня в зависимости от присвоенного
им приоритета2. Этот документ и по сей день является основой деятельности CEN
и CENELEC по стандартизации в области энергетической эффективности.
Основные технические органы, принимавшие участие в работе по стандарти-
зации в области энергетической эффективности, перечислены в табл. 1.3, ключе-
вые мероприятия по стандартизации приведены в табл. 1.4.
1.1.3.1. Консультационный комитет
по вопросам энергетического менеджмента
(англ. Sector Forum Energy Management — SFEM)
Во исполнение рекомендаций совместной рабочей группы по направлению
«Энергетический менеджмент» Технического совета CEN/CENELEC был соз-
дан консультационный комитет по вопросам энергетического менеджмента
(англ. Sector Forum Energy Management — SFEM) в целях разработки общей стра-
тегии стандартизации в области энергетического менеджмента и энергетической
эффективности, создания платформы для обмена информацией и опытом между
всеми заинтересованными сторонами, а также для определения приоритетов в от-
ношении стандартизации в энергетическом секторе.
Консультационный комитет по вопросам энергетического менеджмента зани-
мается решением следующих задач:
•поддержка и расширение партнерской сети, созданной в период деятель-
ности совместной рабочей группы по направлению «Энергетический ме-
неджмент» Технического совета CEN/CENELEC, особенно в отношении
новых членов;
•инициирование новых исследований и оценка областей и объектов, тре-
бующих проведения дальнейшей работы по стандартизации, включая об-
ласти и объекты с присвоенными предыдущей совместной рабочей груп-
пой по направлению «Энергетический менеджмент» Технического совета
CEN/CENELEC приоритетами B или C;
•координация текущей деятельности по стандартизации в области энергети-
ческого менеджмента в европейских странах;
•организация запросов со стороны CEN и CENELEC по части внесения из-
менений в области энергетического менеджмента в европейское законода-
тельство и общеевропейской стратегии;
•постоянный обмен информацией, опытом и изысканиями, особенно
по внедряемым инициативам, как в европейских странах, так и в странах,
не входящих в ЕС.
Консультационный комитет проводит собрания дважды в год в целях разра-
ботки рекомендаций относительно дальнейших действий для CEN и CENELEC
и при этом не ведет какой-либо деятельности в области стандартизации. На ос-
новании полученных рекомендаций CEN и CENELEC, как правило, формируют-
ся соответствующие технические комитеты (обычно совместные рабочие группы
экспертов) для решения поставленных задач.
Дополнительные материалы по теме
1. Geller Н., Attali S. The experience with energy efficiency policies and programmes in IEA
countries. Learning from the Critics. IEA Information Paper, 2005.
2. IEA, Implementing Energy Efficiency Policies, 2009, OECD/IEA, Paris.
3. WEC, WEC: Energy Efficiency. A Recipe for Success, 2010.
ГЛАВА 2
КАБЕЛИ
И ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧ
Паола Пеццини и Андреас Сампер
Пропускная способность систем передачи электроэнергии зависит от рабочего
напряжения и максимального передаваемого тока. Поскольку рабочее напряже-
ние фиксированно, то пропускная способность системы при заданном напряже-
нии зависит от пропускной способности проводника при передаче тока.
В таком случае пропускная способность носит название допустимой токовой
нагрузки [1], а ее вычисление производится с учетом как параметров установи-
вшегося режима, так и расчетных параметров переходных процессов [2]. Расче-
ты для кабелей воздушной и подземной прокладки незначительно отличаются
в связи с различной окружающей средой, с которой взаимодействует кабель. При
расчете допустимой токовой нагрузки для кабелей воздушной прокладки следует
принимать во внимание солнечное излучение и силу ветра в зоне прокладки ка-
беля. При расчете допустимой токовой нагрузки для подземных кабелей следует
учитывать тип почвы, в которую закладывается кабельная система.
Определение допустимой токовой нагрузки требует проведения тепловых
расчетов, поскольку размеры изоляции и токоведущих частей кабеля являются
независимыми параметрами, которые взаимосвязаны тепловыми соотношения-
ми. Расчеты пропускной способности кабеля требуют определения температуры
проводника при заданной токовой нагрузке. Номинальная допустимая токовая
нагрузка прямо пропорциональна диаметру проводника: чем больше диаметр
проводника (меньше джоулевы потери), тем выше допустимая токовая нагрузка.
С другой стороны, требования к изоляции определяются рабочим напряжением
и также непосредственно влияют на величину допустимой токовой нагрузки: вы-
сокие требования к изоляции (более низкое тепловое рассеяние) означают более
низкую допустимую токовую нагрузку. К параметрам, влияющим на значение до-
пустимой токовой нагрузки, относятся: количество и тип кабелей, тепловое со-
противление среды (почвы или воздуха) вокруг кабеля, глубина прокладки в слу-
чае с подземным кабелем, а также горизонтальное расстояние между кабелями
системы. Наличие явной связи между током в проводнике и температурой приво-
дит к вопросу о том, как рассеивается тепло, выделяемое при прохождении тока.
Решение основных уравнений теплового баланса является первым шагом к полу-
чению расчетных номинальных параметров кабеля и его номинальных токовых
нагрузок, которые зависят в основном от эффективности процессов рассеяния,
наряду с ограничениями, накладываемыми на температуру изоляции.
На сегодняшний день одних только технических критериев недостаточно для
получения оптимального размера кабеля. На самом деле минимальное допустимое
сечение, полученное из решения уравнений теплового баланса, не учитывает стои-
мость потерь, которые будут иметь место в течение всего срока эксплуатации кабе-
ля. Таким образом, при выборе размеров кабеля следует учитывать сумму началь-
ной стоимости и стоимости потерь. Последнюю можно вычислить, оценив рост
нагрузки и стоимость энергии. Если сумма будущих затрат на энергопотери и пер-
воначальных затрат на покупку и установку сведена к минимуму, значит, определе-
ны оптимальные с экономической точки зрения размеры проводника. Снижение
общих затрат при такой оптимизации обусловлено тем, что затраты на джоулевы
потери снижаются сильнее, чем увеличивается стоимость приобретения.
2.1. ТЕОРИЯ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ
Поскольку ток нагрузки и температура проводника неразрывно связаны, в этом
разделе приведен обзор теории теплопередачи. Чтобы определить температуру
проводника при заданной токовой нагрузке либо, наоборот, допустимую токовую
нагрузку для заданной максимальной температуры проводника, необходимо рас-
считать тепловую энергию, выделяемую в кабельной системе, и скорость ее рассе-
ивания при заданном материале проводника и заданной нагрузке.
Существуют три основных механизма передачи тепла в различных средах: те-
плопроводность, конвекция и излучение.
2.1.1. Теплопроводность
Для вычисления теплопроводности используется уравнение, выражающее передачу
тепла между двумя контактирующими средами и также известное как закон Фурье:
см. уравнение в книге (2.1)
Тепловая энергия, передаваемая в направлении x, обозначается Q [Вт] и пря-
мо пропорциональна температурному градиенту dθ/dx [K/м]. Для заданного тем-
пературного распределения θ(x) [K] данный градиент представляет собой направ-
ление и скорость изменения температуры. Здесь А [м2] — это площадь, на которой
происходит тепловой обмен, а ρ [K ∙ м/Вт] — это термическое сопротивление, ха-
рактеризующее качество передачи тепла материала. Минус в уравнении отражает
тот факт, что тепло передается в направлении понижения температуры.
Механизм теплопроводности приобретает большое значение при рассмотре-
нии подземных кабелей, когда проводник находится в прямом контакте с другими
металлическими частями и изоляцией.
2.1.2. Конвекция
Конвекция — это результат двух механизмов, работающих одновременно: тепло-
проводности, обусловленной движением молекул, и переноса тепла, обусловлен-
ного движением потока среды (жидкости или газа). Уравнение, используемое для
описания конвекции, известно как закон Ньютона:
см. уравнение в книге (2.2)
Тепловая мощность конвекции Q [Вт] пропорциональна разности между тем-
пературой поверхности θs и температурой окружающей среды θamb. Здесь также
А [м2] обозначает площадь поверхности теплообмена, а h [Вт/(К ∙ м2)] — коэффи-
циент конвективной теплопередачи.
Конвекцию можно классифицировать по характеру движения текучей среды
на принудительную и естественную. Первая возникает, когда поток обусловлен
внешними средствами: ветром, насосами или вентиляторами. Вторая возникает
в результате разности давлений, которая, в свою очередь, вызвана разностью тем-
ператур. Конвекцию необходимо принимать во внимание при расчете воздушных
кабелей, а коэффициент конвективной теплопередачи h является важнейшим
параметром, который необходимо рассчитать. В табл. 2.1 показаны характерные
диапазоны значений коэффициента h.
2.1.3. Излучение
Способность передавать энергию путем излучения является характерной особен-
ностью всей материи. Для излучения не нужна среда, т.к. оно представляет собой
электромагнитные волны, которые могут передавать энергию в вакууме. Излучае-
мая тепловая энергия определяется по закону Стефана—Больцмана:
см. уравнение в книге (2.3)
Тепловая мощность Q прямо пропорциональна абсолютной температуре
θ*s [K] поверхности A [м2], σB — постоянная Стефана—Больцмана (σB =
= 5,67 ∙ 10–8 [Вт/(К4 ∙ м2)]); ε — излучательная способность поверхности. Излу-
чательная способность — это отношение энергии, излучаемой поверхностью,
к энергии, излучаемой абсолютно черным телом при той же температуре, а диапа-
зон ее значений составляет 0 ≤ ε ≤ 1.
Если излучение попадает на поверхность, то его часть поглощается в соответ-
ствии с поверхностной радиационной характеристикой, известной как коэффи-
циент поглощения α [Вт/K4 ∙ м2], как показано в следующем уравнении:
см. уравнение в книге (2.4),
где 0 ≤ α ≤ 1. Кабели как излучают сами, так и поглощают излучение. Поэтому
применяется следующее уравнение:
см. уравнение в книге (2.5).
В кабельных системах воздушной прокладки необходимо также принимать
во внимание конвекцию, поэтому итоговое уравнение будет иметь вид
см. уравнение в книге (2.6)
где Ac [м2] — площадь конвекционной поверхности; Ar [м2] — площадь излучатель-
ной поверхности.
2.2. НОМИНАЛЬНЫЙ ТОК
КАБЕЛЕЙ ВОЗДУШНОЙ ПРОКЛАДКИ
Допустимая токовая нагрузка кабелей вычисляется в основном с использованием
следующих основных параметров: допустимое повышение температуры, сопро-
тивление проводника, потери и термическое сопротивление. Однако некоторые
параметры могут изменяться в зависимости от конструкции и материала кабеля,
поэтому следует полагаться на международный стандарт. Кроме того, как будет
показано далее, параметры, относящиеся к рабочим условиям, могут изменяться
в зависимости от страны.
Для кабелей переменного тока воздушной прокладки допустимая токовая на-
грузка определяется как [3]
см. уравнение в книге (2.7)
где Δθ [K] — допустимое повышение температуры проводника в сравнении с тем-
пературой окружающей среды; Wd [Вт/м] представляет собой диэлектрические
потери на единицу длины на фазу; n — это количество проводников в кабеле;
R [Ом/м] – сопротивление проводника переменному току при максимальной ра-
бочей температуре; Ti [K ∙ м/Вт] — тепловое сопротивление, а именно: T1 — тепло-
вое сопротивление между проводником и внутренней оболочкой, T2 — тепловое
сопротивление между внутренней оболочкой и оплеткой, T3 — тепловое сопро-
тивление внешней оболочки, а T4 — тепловое сопротивление окружающей среды.
При оценке потерь учитывается несколько величин: сопротивление перемен-
ному току, диэлектрические потери, потери во внутренней оболочке и экране,
потери в оплетке, креплениях и стальных трубках. Здесь рассматриваются только
сопротивление переменному току и диэлектрические потери, более подробную
информацию о потерях на внутренней оболочке, экране, оплетке, креплениях
и стальных трубках можно найти в стандарте МЭК 60287-1-1 [3]. С учетом мак-
симальной рабочей температуры сопротивление переменному току на единицу
длины проводника задается формулой
см. уравнение в книге (2.8)
где R [Ом/м] — сопротивление проводника переменному току при максимальной
рабочей температуре; Rʹ — сопротивление проводника постоянному току при
максимальной рабочей температуре; ys — коэффициент поверхностного эффек-
та (скин-эффекта); yp — коэффициент эффекта близости. Оценку этих величин
можно получить в соответствии со стандартом МЭК 60287-1-1 [3]. Сопротивление
кабеля выше при передаче переменного тока, чем при передаче постоянного тока,
главным образом это связано со скин-эффектом, эффектом близости, потерями
на гистерезис и вихревые токи в ферромагнитных материалах, а также наведен-
ными потерями в короткозамкнутых неферромагнитных материалах [2]. Обычно
рассматриваются только скин-эффект и эффект близости, за исключением случа-
ев кабелей очень высокого напряжения.
Диэлектрические потери на единицу длины для каждой фазы определяются
по выражению
см. уравнение в книге (2.9),
где ω = 2πf; C [Ф/м] — это емкость на единицу длины; U0 [В] — напряжение от-
носительно заземления. Приложение переменного напряжения к бумажной или
твердой изоляции приводит к возникновению зарядных токов, поскольку изо-
ляция выступает в роли большого конденсатора. Каждый раз, когда изменяется
полярность напряжения, электроны должны перестроиться, совершив опреде-
ленную работу, которая переходит в тепло, таким образом приводя к потерям ак-
тивной мощности, так называемым диэлектрическим потерям [2].
Как можно видеть из уравнения, диэлектрические потери зависят от напряже-
ния, а в табл. 3 стандарта МЭК 60287-1-1 [3] приведены значения U0 для распро-
страненных изоляционных материалов. Остальные величины, входящие в данное
уравнение, также можно найти в той же таблице.
Наконец, рассматривается внутреннее и внешнее тепловое сопротивление ка-
белей. Тепловые сопротивления T1, T2 и T3 на единицу длины кабеля определяют-
ся по отдельности. Для одножильных кабелей тепловое сопротивление Т1 между
одним проводником и его внутренней оболочкой определяется по формуле
см. уравнение в книге (2.10)
где ρT [К ∙ м/Вт] — тепловое сопротивление изоляции; dc [мм] — диаметр проводни-
ка; t1 [мм] — это толщина изоляции между проводником и внутренней оболочкой.
Тепловое сопротивление изоляционных материалов приведено в табл. 1
МЭК 60287-2-1 [4]. В той же части международного стандарта даны определе-
ния T1 для бронированных кабелей, трехжильных кабелей, маслонаполненных
кабелей, а также кабелей типа SL и SA. Кабели типа SL и SA — это круглые од-
ножильные кабели с металлической внутренней оболочкой, в которых электро-
статическая лента выполняет роль изоляционного экрана. Аббревиатуры SL и SA
означают свинцовую или алюминиевую оболочку (Sheathing with Lead, Sheathing
with Aluminium) соответственно [5].
Тепловое сопротивление между внутренней оболочкой и оплеткой для одно-
фазного, двухфазного и трехфазного кабелей с общей металлической оплеткой
см. уравнение в книге (2.11)
где Ds [мм] — внешний диаметр оболочки; t2 [мм] — толщина подушки. Для кабе-
лей типа SL и SA определение приведено в стандарте МЭК 60287-2-1 [3].
Тепловое сопротивление T3 внешней оболочки, которая имеет вид концен-
трических слоев, задается уравнением
см. уравнение в книге (2.12)
где Daʹ [мм] — внешний диаметр оплетки; t3 [мм] — ее толщина. Дополнительный
анализ теплового сопротивления для гофрированных оболочек и кабелей трубно-
го типа приведен в стандарте МЭК 60287-2-1 [4].
Оценка теплового сопротивления внешней среды T4 изменяется в зависимо-
сти от того, защищен ли кабель от прямых солнечных лучей или непосредственно
подвержен солнечному излучению. В первом случае формула имеет вид
см. уравнение в книге (2.13),
где De
* [м] — внешний диаметр кабеля для гофрированных оболочек; h — коэффи-
циент рассеивания тепла (см. [4]).
Международный стандарт также задает методы расчета Δθs — повышения
температуры поверхности кабеля по сравнению с температурой окружающей
среды. Для групп кабелей воздушной прокладки, защищенных от солнечной ра-
диации, метод для расчета понижающих коэффициентов приведен в стандарте
МЭК 60287-2-2 [6]. Данный метод применим, когда кабели закреплены близко
друг к другу, но ограничен:
•максимум девятью кабелями, составленными в квадрат;
•максимум шестью цепями, каждая из которых состоит из трех кабелей, со-
бранных в виде трилистника, при этом до трех цепей могут быть расположе-
ны бок о бок или две цепи расположены друг над другом.
Для второго случая, когда кабели подвержены прямому воздействию солнеч-
ных лучей, изменение будет заключаться в расчете Δθs, как подробно описано
в стандарте МЭК 60287-2-1 [4].
Конкретные условия эксплуатации кабелей отличаются в зависимости от стра-
ны: характерная температура окружающей среды и тепловое сопротивление по-
чвы могут иметь различные значения для разных стран.
В стандарте МЭК 60287-3-1 [7] представлены стандартные рабочие условия,
когда параметры взяты не из национальных таблиц.
Национальные параметры доступны для Австралии, Австрии, Канады, Фин-
ляндии, Франции, Германии, Италии, Японии, Нидерландов, Норвегии, Поль-
ши, Швеции, Швейцарии, Соединенного Королевства и Соединенных Штатов
Америки.
Если национальные параметры неизвестны, следует использовать таблицы
(табл. 2.2 и 2.3).
Для того чтобы завершить этот этап, покупатель должен получить у произ-
водителя кабелей подробный список требуемой информации, необходимой для
выбора соответствующего типа кабеля. Должна быть предоставлена информация
об условиях эксплуатации и параметрах установки.
С учетом условий эксплуатации информация, необходимая для выбора соот-
ветствующего типа кабеля, выглядит следующим образом:
а) номинальное напряжение системы, U;
б) наибольшее напряжение трехфазной системы, Um;
в) грозовое перенапряжение;
г) частота системы;
д) тип заземления;
е) обеспечение условий окружающей среды, например:
•высота над уровнем моря, если выше 1000 м,
•внутренняя или наружная установки,
•чрезмерное загрязнение атмосферы,
•коммутации элегазового выключателя;
ж) максимальный номинальный ток: для непрерывной эксплуатации, для пе-
риодической эксплуатации и для эксплуатации в аварийном режиме или
режиме перегрузки (при наличии такого);
з) ожидаемые токи симметричных и несимметричных коротких замыканий,
возникающих как при замыкании двух фаз, так и при замыкании фазы
на землю;
и) максимальное время, в течение которого кабель выдерживает ток коротко-
го замыкания.
Требуемые параметры установки можно подразделить на общие параметры,
параметры для подземных кабелей и для кабелей воздушной прокладки. Подроб-
ную информацию о параметрах для подземных кабелей можно найти в [7]. Для
общих параметров необходимой информацией являются:
а) длина и профиль трассы;
б) способы прокладки, крепления и заземления металлических оболочек;
в) особые условия прокладки, например, в воде. В отдельных случаях требует-
ся особое рассмотрение.
Для определения параметров кабелей воздушной прокладки необходима сле-
дующая информация:
а) минимальная, максимальная и средняя температура окружающего воздуха;
б) тип установки;
в) особенности вентиляции;
г) подверженность воздействию прямых солнечных лучей;
д) особые условия, например риск возгорания.
2.3. ЭКОНОМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ
Обычно при выборе размера кабеля не учитываются затраты на потери, возни-
кающие в течение его срока службы. По сути, такой выбор делается на основе
минимально допустимой площади поперечного сечения, что минимизирует пер-
воначальные инвестиционные затраты на кабель, но не учитывает весь его срок
службы. Поэтому следует минимизировать начальные затраты и затраты на поте-
ри (см. МЭК 60287-3-2 [8]) с учетом увеличения нагрузки и стоимости энергии,
чтобы обеспечить должную минимизацию суммы будущих затрат на энергетиче-
ские потери и начальных затрат на покупку и установку.
Затраты на покупку и установку складываются с затратами на потери энергии,
и в сумме все затраты выражаются в сопоставимых экономических величинах,
которые далее обозначаются как «у.е.». Дата покупки поэтому рассматривается
как «настоящее», а будущие затраты, связанные с расходами на потери энергии,
следует преобразовать в их эквивалентные «текущие значения». Для этого при-
меняется процесс «дисконтирования», так как ставка дисконтирования связана
со стоимостью заемных средств. Условия и финансовые ограничения отдельных
установок влияют на расчет текущего значения затрат на потери. Чтобы получить
это значение, безусловно, необходимо выбрать соответствующие параметры бу-
дущего изменения нагрузки, ежегодного увеличения стоимости кВт ∙ ч, а также
годовой ставки дисконтирования в течение экономического срока службы кабеля.
Существует два различных способа рассчитать экономически оптимальный
размер кабеля. При первом способе для конкретной установки и для каждого раз-
мера проводника рассчитывается диапазон оптимальных с экономической точки
зрения токов. После этого необходимо выбрать тот размер проводника, диапазон
оптимальных токов которого содержит требуемое значение тока нагрузки. Второй
метод больше подходит для единичной установки: вычисляется площадь опти-
мального поперечного сечения для требуемого тока нагрузки, а затем к ней под-
бирается ближайший стандартный размер проводника. Экономические аспекты
не являются единственными, которые необходимо рассматривать при выборе
оптимального размера проводника. Существует следующий ряд других задач, ко-
торые необходимо решить в связи с этим.
1. Рассчитать экономически оптимальную площадь сечения.
2. Убедиться, что кабель вычисленного размера выдержит максимальный на-
грузочный ток, который может возникнуть, а также учесть температурные
ограничения.
3. Проверить токи короткого замыкания и утечки на землю.
4. Проверить пределы падения напряжения.
5. Учесть другие критерии, которые могут повлиять на установку.
Наконец, следует также учитывать аспект качества электроэнергии.
2.4. РАСЧЕТ НОМИНАЛЬНОГО ТОКА:
СУММАРНЫЕ ЗАТРАТЫ
Первым этапом при определении оптимального размера кабеля является вычис-
ление общей стоимости установки и эксплуатации кабеля в течение его экономи-
ческого срока службы. Все затраты должны быть выражены в текущих значениях,
а уравнение суммарных затрат (CT — Cost of Total) имеет следующий вид:
см. уравнение в книге, (2.14)
где CI (Cost of Install) — стоимость установленной длинны кабеля; CJ (Cost
of Joule) — эквивалентные затраты на джоулевы потери в пересчете на текущее
значение.
2.4.1. Определение CJ
Затраты, обусловленные джоулевыми потерями, состоят из двух частей: платы
за электроэнергию и платы за дополнительные поставки для компенсации потерь.
Затраты на оплату энергии (CE — Cost of Energy) первоначально определяют-
ся для энергетических потерь за первый год (EL — Energy Loss) [Вт ∙ ч], которые
выражаются как
см. уравнение в книге, (2.15)
где Imax — максимальная токовая нагрузка кабеля в течение первого года; R — со-
противление проводника переменному току с учетом скин-эффекта, эффекта
близости и потерь в металлических экранах и оплетке; l — длина кабеля; Np — ко-
личество фазовых проводников в цепи; Nc — количество цепей с такой же вели-
чиной и типом нагрузки. Параметр T представляет собой количество часов в год,
в течение которых при протекании максимального тока Imax годовые потери энер-
гии равны таковым при фактическом изменяющемся токе нагрузки. Определяет-
ся данный параметр по выражению
см. уравнение в книге (2.16),
где t — время в часах; I (t) — ток нагрузки как функция времени.
Наконец, затраты на потери в первый год выражаются как
см. уравнение в книге, (2.17)
где P — стоимость одного Вт ∙ ч энергии при соответствующем уровне напряжения.
Затраты на дополнительную мощность (CA — Cost Additional) [произвольная
валютная единица/год] равны
см. уравнение в книге, (2.18)
где D — плата за потребление в год.
С учетом CE и CA общие затраты (OC — Overal Cost) [у.е.] за первый год явля-
ются суммой вычисленных выше составляющих, и если затраты возникают в кон-
це года, то осуществляется пересчет на текущее значение:
см. уравнение в книге (2.19),
Текущее значение затрат на энергию [у.е.] в течение N лет эксплуатации в пе-
ресчете на дату приобретения кабеля равно
см. уравнение в книге (2.20),
где Q — коэффициент, учитывающий увеличение нагрузки, увеличение стоимо-
сти энергии за N лет и ставку дисконтирования i.
см. уравнение в книге (2.21).
Здесь a и b — увеличение нагрузки и увеличение стоимости энергии за год.
Суммарные затраты [у.е.] вычисляются путем суммирования CI и CJ.
см. уравнение в книге (2.22)
где параметр F [у.е./Вт] выражается формулой
см. уравнение в книге (2.23).
2.5. ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ЭКОНОМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
ПРОВОДНИКА
Для оценки экономически оптимального размера проводника можно применить
два подхода: в первом анализируется диапазон значений экономического тока для
каждого проводника в линейке сечений, а во втором рассматривается экономиче-
ски оптимальный размер проводника для заданной нагрузки.
2.5.1. Диапазон экономически оптимальных токов
для каждого проводника в линейке сечений
Для заданных условий установки все размеры проводника имеют диапазон эко-
номически оптимального тока [А], для которого задан верхний и нижний предел.
Для заданного сечения проводника верхним и нижним пределами будут
см. уравнение в книге (2.24)
где CI — стоимость установленной длины кабеля с рассматриваемым разме-
ром проводника, выраженная в у.е., то есть произвольных валютных единицах;
R [Ом/м] — сопротивление переменному току на единицу длины проводни-
ка рассматриваемого размера; CI1 [у.е.] — стоимость следующего стандартного
проводника меньшего размера; R1 [Ом/м] — сопротивление переменному току
на единицу длины следующего стандартного проводника меньшего размера;
CI2 [у.е.] — стоимость следующего стандартного проводника большего размера;
R2 [Ом/м] — сопротивление переменному току на единицу длины следующего
стандартного проводника большего размера.
2.5.2. Экономически оптимальное сечение проводника
для заданной нагрузки
Экономически оптимальный размер проводника — это такое поперечное сечение
проводника, которое минимизирует функцию суммарных затрат [у.е.]:
см. уравнение в книге (2.25)
Уравнение для соотношения между CI (S) и размером проводника может быть
выведено из известной стоимости кабелей стандартных размеров. Удельное со-
противление проводника [Ом/м] можно выразить как функцию от его попереч-
ного сечения (см. МЭК 60287-1-1):
см. уравнение в книге , (2.26)
где ρ20 [Ом/м] — удельное сопротивление проводника постоянному току; yp — эф-
фект близости, см. МЭК 60287-1-1 [3]; ys — скин-эффект, см. МЭК 60287-1-1;
λ1 представляет собой коэффициент потерь во внутренней оболочке, см. МЭК
60287-1-1; λ2 представляет собой коэффициент потерь в оплетке, см. МЭК 60287-1-1
[3]; α20 [K−1] — температурный коэффициент удельного сопротивления для кон-
кретного материала проводника при 20 °C; θm [°C] — температура проводника;
S [мм2] — поперечное сечение проводника кабеля.
Если величину начальных затрат [у.е.] для рассматриваемого типа кабеля и его
установки можно аппроксимировать линейной моделью, тогда
см. уравнение в книге, (2.27)
где A [у.е./м, у.е./мм2] — переменная составляющая затрат, связанная с размером
проводника; С [у.е./м] — постоянная составляющая стоимости, которая не зави-
сит от размера кабеля; l [м] представляет собой длину кабеля.
Оптимальный размер [мм] можно получить с помощью решения уравнения
для CT (S):
см. уравнение в книге , (2.28)
Этот параметр не будет в точности равен какому-либо стандартному размеру,
потребуется провести расчеты с большим и меньшим стандартным размером ка-
беля, чтобы выбрать наиболее экономически оптимальный.
2.6. ВЫВОДЫ
Расчеты допустимой токовой нагрузки необходимы для того, чтобы установить
максимальный ток, который способен выдержать кабель без риска старения или
повреждения. Для проведения расчетов допустимой токовой нагрузки необхо-
димо знать технические критерии, а распространенные методы выбора размера
кабеля позволяют найти его минимальную допустимую площадь сечения. Таким
образом минимизируется первоначальная стоимость, но не минимизируются за-
траты на потери, которые возникнут в течение срока службы кабеля. За последнее
десятилетие стоимость энергии в западных странах быстро возрастает, а новые
изоляционные материалы допускают эксплуатацию при более высоких темпера-
турах, чем раньше. Вместо того чтобы просто минимизировать первоначальные
затраты, необходимо минимизировать сумму начальных затрат и затрат на потери
за экономический срок службы кабеля.
Список литературы
1. Ranasamy Natarajan. Computer-Aided Power System Analysis, CRC, 2002.
2. Anders G.J. Rating of Electric Power Cables in Unfavorable Thermal Environment, Wiley-IEEE Press, May 2005.
3. МЭК 60287-1-1-2009. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 1-1. Уравнения для расчета номинальной токовой нагрузки (100 % коэффициент
нагрузки) и расчет потерь. Общие положения.
4. МЭК 60287-2-1. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 2-2. Тепловое сопротивление. Расчет теплового сопротивления.
5. Moore G.F. Electric Cables Handbook, 3rd edn, BICC Cables, 2004.
6. МЭК 60287-2-2. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 2-2. Тепловое сопротивление. Метод расчета коэффициентов снижения макси-
мально допустимой токовой нагрузки для групп кабелей, проложенных на воздухе и за-
щищенных от прямого солнечного излучения.
7. МЭК 60287-3-1. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 3-1. Условия эксплуатации. Нормированные условия эксплуатации и выбор типа
кабеля.
8. МЭК 60287-3-2. Кабели электрические. Расчет номинальной токовой нагрузки.
Часть 3-2. Разделы, касающиеся условий эксплуатации. Экономическая оптимизация
размера силовых кабелей.