Приёмники электрической энергии

На электростанциях электроэнергию вырабатывают при относительно низких напряжениях: 0,23-0,4 и 3,15-10,5 кВ. При таких напряжениях передавать электроэнергию на большие расстояния невыгодно, поэтому генераторное напряжение повышают до напряжения 35-110-220 кВ и выше и по магистральным линиям электропередачи передают в районы потребления. Там напряжение вновь понижают до 6, 10 кВ и на таком напряжении электроэнергия распределяется между пунктами потребления. Для непосредственного использования в установках потребителя напряжение ещё раз снижают до 220/380 В.

Рис. 1.1 Многоступенчатая схема передачи электроэнергии потребителям.

Т1, Т2 – повышающие трансформаторы, Т3-Т-6 – понижающие трансформаторы, ВЛ – воздушная линия.

Номинальное напряжение является одним из основных параметров, характеризующих конкретную электроустановку. Согласно правил устройства электроустановок все электроустановки делятся на:

· установки до 1000 В,

· установки свыше 1000 В.

Для электроснабжения предприятий распределительные устройства и установки до 1000 В имеют незначительное значение и используются, как правило, как потребители электроэнергии, поэтому основное внимание в данном курсе уделяется установкам выше 1000 В.

Стандартные напряжения переменного трёхфазного тока (линейные значения) в России являются: 3, 6, 10, 20, 35, 110, 220, 330, 500, 750, 1150 кВ (в настоящее время линии 1150 кВ используются на напряжение 750 кВ). Для электроснабжения предприятий напряжение выше 220 кВ применяется редко. Выбор того или иного стандартного напряжения определяет построение всей системы электроснабжения промышленного предприятия. Но естественно, чем крупнее предприятие, тем целесообразней выбирать напряжение высшего уровня.

2. Характеристики основных промышленных потребителей.

При выполнении схем электроснабжения: выбора мест подключения к головным и распределительным подстанциям, линиям энергосистемы, выбора конфигурации сети, необходимо учитывать требования различных групп потребителей к бесперебойности и надёжности электроснабжения.

Электроснабжение предприятия должно обеспечивать:

· бесперебойность электроснабжения,

· качество электроэнергии,

· удобство и безопасность эксплуатации,

· экономичность,

· возможность изменение некоторых параметров сети при развитии предприятии без коренного переустройства сети.

Требования, предъявляемые к системе электроснабжения в отношении надёжности, зависят от характера электроприёмников потребителей и делятся на категории:

1. п е р в а я категория – электроприёмники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак продукции с большим экономическим ущербом. Такие электроприёмники должны иметь два независимых источника питания, а перерывы в электроснабжении допускаются лишь на время ввода резервного питания.

В этой категории выделяются объекты, требующие особо повышенной надёжности питания, перерывы электроснабжения которых угрожают жизни людей или могут приводить к взрывам и экологическим катастрофам. Для таких потребителей необходимо наличие трёх независимых источников питания.

2. в т о р а я категория – электроприёмники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой массовый недоотпуск продукции, простой рабочих, механизмов, нарушение нормальной деятельности значительного количества жителей. Для этой категории потребителей допустимы перерывы в электроснабжении на время, необходимое для включения резервного питания действиями обслуживающего персонала, но не более 3,5 часа.

3. т р е т ь я категория – все остальные потребители: неответственные нагрузки, жилищный сектор, небольшие посёлки, мелкие предприятия и т. п. Для потребителей третьей категории допускаются перерывы в электроснабжении на время, необходимое для ремонта повреждённого элемента сети, но не более чем на 24 часа.

Приёмники электрической энергии по сходству графиков нагрузки можно разделить на три характерные группы: с продолжительной нагрузкой, с кратковременной нагрузкой, с повторно-кратковременной нагрузкой.

а) б)

в)

Рис. 1.2 Графики основных режимов работы электроприёмников.

а – продолжительный режим, б – кратковременный режим, в – повторно-кратковременный режим.

Продолжительный режим (рис. 1.2а). Такой режим работы электроприёмника продолжается столь длительное время, что превышение температуры нагрева всех её частей над температурой окружающей среды достигает установившегося значения τ_уст.

После включения электроприёмника его температура начинает повышаться. Если бы отсутствовала отдача теплоты в окружающую среду, то температура непрерывно повышалась бы, и за время Т (постоянная времени нагрева) достигла бы максимального значения. При дальнейшей работе температура продолжала бы повышаться до разрушения оборудования. Но в результате, происходящего одновременно, процессу охлаждения оборудования наступает тепловое равновесие, при котором температура электроприёмника становится установившейся. Установившейся считается температура, изменение которой в течении одного часа не превышает 1^○С. При выборе установок по нагреву необходимо, чтобы установившееся значение превышения температуры над температурой окружающей среды не превышало допустимого значения.

Как правило, в продолжительном режиме работают электродвигатели вентиляторов, дымососов, большинства насосов и др.

Кратковременный режим (рис. 1.2 б) характеризуется небольшими по времени периодами работы оборудования, когда температура не успевает достичь установившейся, а перерыв в работе такой продолжительности, что температура приёмника снижается до температуры окружающей среды. В кратковременном режиме работают электроприводы различных задвижек, вспомогательные механизмы станков и др.

Повторно-кратковременный режим (рис. 1.2 в), при котором кратковременные режимы работы чередуются с паузами. При этом рабочие периоды не настолько длительные, чтобы оборудование нагрелось бы до установившегося значения, а во время пауз электроустановка не успевает остыть до температуры окружающей среды. В результате многократных циклов температура установки достигает некоторой псевдоустановившейся температуры, характерной именно для такого цикла. Следует отметить, что повторно-кратковременный режим может быть с неодинаковыми по длительности временами нагрева и остывания, так называемый плавающий цикл. Тогда псевдоустановившаяся температура может изменяться в достаточно широких пределах.

В таком режиме работают электроприводы подъёмно-транспортных механизмов, электросварка, некоторые электроприводы конвейеров и др.

Для оценки загрузки приёмников с повторно-кратковременным режимом используется формула относительной продолжительности включения:

, (1.1)

где t_в –длительность работы, t_о – длительность отключения (пауза).

3. Графики электрических нагрузок.

Правильное определение электрических нагрузок является основой рационального построения и эксплуатации системы электроснабжения предприятия.

Нагрузка любых потребителей электроэнергии колеблется в течение суток, месяца, года, в зависимости от мощности подключённых электроприёмников, технологического режима. Графики нагрузок отражают колебания спроса на электроэнергию во времени (рис. 1.3).

а) б)

Рис. 1.3 Характерные суточные (а) и годовые (б) графики нагрузки.

Суммарная нагрузка отдельных потребителей электроэнергии изменяется во времени под воздействием большого числа факторов. Эти колебания могут быть регулярные и случайные. На суточных графиках нагрузки выделяют максимумы и минимумы, обычно нагрузка имеет минимум в ночные часы, а максимум – в утренние и вечерние часы. При построении недельного графика нагрузки минимальные значения имеют выходные дни. При рассмотрении годового графика нагрузки имеет место регулярное снижение нагрузки в летний период.

Такого рода колебания определяются циклами природных явлений (ночь, лето), технологичными особенностями энергопотребления, количеством смен и т. п.

На вышеуказанные регулярные и предсказуемые колебания нагрузок накладываются нерегулярные, которые вызываются случайными изменениями электрических нагрузок. Эти колебания, не изменяя общего характера регулярного режима электропотребления, приводят к дополнительной изменчивости потребительской нагрузки, к случайным набросам и сбросам нагрузки по отношению к регулярной нагрузке.

В связи с этим при прогнозировании режимов энергопотребления предусматривается разработка как графиков регулярных изменений нагрузки, так и вероятностных характеристик её случайных отклонений.

Оперировать графиками нагрузок для анализа электроснабжения предприятия удобней с помощью коэффициентов. Рассмотрим основные из них.

Коэффициент использования.

Данный коэффициент является основным показателем для расчёта нагрузки. Коэффициентом использования мощности активной мощности приёмника k_и,а называется отношение средней активной мощности этого приёмника к её номинальному значению:

. (1.2)

Коэффициент использования определяется для суток, недели, месяца, года, тогда этот коэффициент называется плотностью графика электропотребления.

Показателем режима электропотребления за год в целом является продолжительность использования оборудования при его загрузке максимальной мощности:

, (1.3)

где А_г – электроэнергия, потребляемая за год.

Аналогично определяются коэффициенты использования по реактивной мощности и току:

, (1.4)

. (1.5)

Коэффициент включения.

Это отношение продолжительности включения электроприёмника в цикле t_в ко всей продолжительности цикла t_ц. Причём время включения в цикл складывается из времени работы t_р и времени холостого хода t_x :

(1.6)

Приближённо значение k_в определяется в эксплуатации с помощью электрического счётчика времени.

Коэффициент суточной неравномерности электропотребления.

Это отношение минимальной потребляемой активной мощности Р_min к максимальной P_max за сутки:

. (1.7)

С помощью этого коэффициента можно оценить ресурс электрооборудования.

Коэффициент загрузки.

Коэффициентом загрузки k_з,а активной мощности оборудования называется отношение фактически потребляемой им средней мощности р_ср,в к его номинальной мощности за время включения:

. (1.8)

Аналогично находится коэффициент загрузки для реактивной мощности.

Коэффициент загрузки и коэффициент включения связаны непосредственно с технологическим процессом и изменяется с изменением режима электроприёмника.

Коэффициент формы графика нагрузок.

Это отношение среднеквадратичного значения мощности S_ск(i_ск) или тока приёмника за определённый период времени к среднему значению S_ср(i_ср) его за тот же период:

. (1.9)

Коэффициент формы характеризует неравномерность графика нагрузок во времени, и своё наименьшее значение, равное единице, он принимает при нагрузке, неизменной во времени.

4. Определение приведённого числа приёмников.

Большинство коэффициентов, описывающих графики нагрузок применимы как для отдельных электроприёмников, так и для групп электроприёмников. В случаях, когда потребляемая мощность электроприёмников в группе равна, то расчёт затруднений не вызывает. Когда мощность приёмников различна, следует привести все электроприёмники в группе к одинаковой мощности.

Под приведённым (эффективным) числом приёмников группы n_п, различных по номинальным мощностям и режиму работы понимается такое число однородных по режиму работы приёмников одинаковой мощности, которое обуславливает ту же расчётную нагрузку, что и данная рассматриваемая группа различных по мощности и режиму работы электроприёмников:

. (1.10)

Согласно формуле, если все приёмники в группе имеют одинаковую мощность, то n_п=n, а если различную, то n_п< n.

5. Определение средних нагрузок.

Важное значение при расчёте электропотребления и оценки потерь электроэнергии имеют средняя мощность за наиболее загруженную смену P_см, Q_см и среднегодовая мощность P_сг, Q_сг. Величины P_см, Q_см находят исходя из удельных расходов электроэнергии, которые известны для большинства производств.

Средняя активная мощность за наиболее загруженную смену P_см определяется путём умножения суммарной номинальной мощности группы электроприёмников на их групповой коэффициент использования:

P_см=k_и,аP_ном (1.11)

Средняя реактивная мощность за наиболее загруженную смену Q_см может определяться:

1) путём умножения суммарной номинальной реактивной мощности группы приёмников на их групповой коэффициент использования:

Q_см=k_и,рQ_ном (1.12)

2) путём умножения средней активной мощности P_см на tgφ, соответствующий групповому коэффициенту мощности cosφ:

Q_см= P_см tgφ, (1.13)

где tgφ- это отношение реактивной мощности к активной ().

Среднегодовая мощность, потребляемая предприятием находится из соотношения:

, (1.14)

, (1.15)

где А_а.г, А_р.г– активная и реактивная потребляемая электроэнергия за год, Т_г – годовой фонд рабочего времени.

6. Определение расхода электроэнергии.

В зависимости от цели расчёта расход электроэнергии определяется за год, за месяц и за наиболее загруженную смену. Годовой расход активной электроэнергии может быть найден из соотношения:

. (1.16)

Годовой фонд рабочего времени зависит от характера производства, сменности, продолжительности смены и других факторов, и определяется конкретно для каждого случая.

Сезонные изменения нагрузки при определении расхода электроэнергии следует учитывать поправочным коэффициентом.

7. Определение расчётных электрических нагрузок.

Одним из основополагающим этапом при проектировании системы электроснабжения предприятия является определение расчётных нагрузок, а не простое суммирование установленных мощностей. Расчётная максимальная мощность, потребляемая электроприёмниками предприятия, всегда меньше суммы номинальных мощностей этих приёмников. Это объясняется неполной загрузкой мощностей электроприёмников, разновременностью их работы, обеспечением условий труда обслуживающего персонала. От правильной оценки ожидаемых электрических нагрузок зависит степень капиталовложений при организации электроснабжения. Завышение ожидаемых нагрузок ведёт к удорожанию строительства, перерасходу материалов, неоправданному увеличению питающих мощностей. Занижение нагрузок, либо проектирование электроснабжения без учёта перспективного роста мощности производства может привести к дополнительным потерям мощности, перегрузке оборудования, либо к необходимости кардинальной перестройке системы электроснабжения.

Описание: Расчёт нагрузок

Рис. 1.4 Схема характерных мест определения расчётных нагрузок в системе электроснабжения предприятия.

Рассмотрим характерные места нагрузок на схеме (рис.1.4).

1. Определение расчётной нагрузки, создаваемым одним приёмником напряжением до 1000 В (нагрузка 1). Определение этой нагрузки необходимо для выбора сечения питающего её кабеля, и аппарата, при помощи которого производится присоединение приёмника к распределительной линии.

2. Определение расчётной нагрузки, создаваемой группой приёмников, напряжением до 1000 В (нагрузка 2). Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения радиальной линии, питающей данную группу приёмников, и аппарата, присоединяющего данную группу к распределительному шкафу.

3. Определение расчётной нагрузки, создаваемой на шинах напряжения до 1000 В цеховой подстанции (нагрузка 3).Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения линий цеховой ТП и питающих указанные приёмники, и аппарата присоединения отходящих линий.

4. Определение общей расчётной нагрузки отдельной группы электроприёмников на стороне 6 кВ (нагрузка 4). Определение данной нагрузки необходимо для выбора числа и мощности цеховых трансформаторов, сечения шин цеховой ТП, сечения проводов отходящих линий, а так же коммутационных аппаратов.

5. Определение расчётной нагрузки, создаваемой на шинах 6 кВ распределительных пунктов РП отдельными приёмниками (нагрузка 5), либо отдельными цеховыми трансформаторами с учётом потерь в трансформаторах. Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечений проводов линий, отходящих от шин главной понизительной подстанции (ГПП) и питающих цеховые трансформаторы, либо отдельные приёмники на напряжение 6 кВ, а так же коммутационной аппаратуры на отходящих линий.

6. Определение общей расчётной нагрузки на шинах 6 кВ каждой секции ГПП (нагрузка 6). Определение данной нагрузки необходимо для выбора числа и мощности главных питающих трансформаторов, выбора сечения шин ГПП, а так же коммутационной аппаратуры.

7. Определения расчётной нагрузки на стороне высшего напряжения 110 кВ с учётом потерь в главных трансформаторах. Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечений линий, питающих предприятие и аппаратов присоединения питающих линий.

При определении расчётных нагрузок должны учитываться ряд положений:

· графики нагрузок предприятия изменяются во времени: растут в связи с расширением производства и уменьшаются с повышением производительности труда, применением передовых технологий,

· предприятие рассчитывается функционировать определённое время, после которого необходимо либо реконструировать предприятие, либо его ликвидировать.

Рассмотрим основные методы определения расчётных нагрузок.

Метод упорядоченных диаграмм.

Метод применим, когда известны номинальные данные всех электроприёмников предприятия с учётом их размещения на территории предприятия.

Определяют среднюю нагрузку групп приёмников за максимально загруженную смену Р_см и расчётный получасовой максимум Р_р:

Р_см=k_иР_ном. (1.17)

Расчётная максимальная нагрузка:

Р_р=k_мР_см, (1.18)

где k_м – коэффициент максимума, в данном случае активной мощности, принимаемой по графикам, в зависимости от коэффициента использования и эффективного числа электроприёмников. Коэффициент максимума характеризует превышение максимальной нагрузки над средней за максимально загруженную смену. Величина, обратная коэффициенту максимума называется коэффициентом заполнения графика нагрузки k_зап:

. (1.19)

Расчёты нагрузок проводят для активных и для реактивных мощностей.

Недостаток метода упорядоченных диаграмм в том, что он не содержит элемента прогнозирования нагрузок.

Порядок расчёта:

1) все электроприёмники разбиваются на однородные по режиму работы группы с одинаковыми значениями коэффициентов использования и коэффициентов мощности,

2) в каждой группе электроприёмников и по узлу в целом находят пределы их номинальных мощностей и приведённое число приёмников, при этом все электроприёмники приводятся к ПВ=100%,

3) подсчитывают номинальную мощность узла,

4) определяют для групп электроприёмников коэффициент использования и коэффициент мощности cosφ по справочным таблицам и по характеристикам оборудования,

5) определяют активную (по 1.17) и реактивную потребляемую мощность за наиболее загруженную смену:

Q_см=Р_смtgφ, (1.20)

6) определяют суммарную активную и реактивную нагрузку для узла для разнородных групп электроприёмников,

7) определяют средневзвешенное значение коэффициента использования узла и коэффициента мощности по tgφ_уз:

, (1.21)

, (1.22)

8) определяют эффективное приведённое число электроприёмников n_п,

9) с учётом коэффициента максимума определяют расчётную максимальную нагрузку,

10) определяют полную мощность:

, (1.23)

и расчётный ток : (1.24)

Метод расчёта нагрузок по удельному потреблению электроэнергии на единицу продукции.

Определяется годовой расход активной электроэнергии:

W_a=ω₀M, (1.25)

а по нему рассчитывают нагрузку:

, (1.26)

где М – годовое число единиц продукции, ω₀ – удельный расход электроэнергии на единицу продукции, Т_г – годовой фонд рабочего времени.

Удельный расход электроэнергии на единицу продукции определяют на основе анализа данных о расходе энергии на аналогичных предприятиях.

Метод определения расчётной нагрузки по коэффициенту формы.

Расчётная нагрузка определяется из следующих выражений:

, (1.27)

, (1.28)

. (1.29)

В условиях эксплуатации среднюю мощность можно определить по показаниям счётчиков активной и реактивной энергии и сопоставить со средней нагрузкой, определённой расчётным путём.

Информация в лекции "Николо Макиавелли" поможет Вам.

Существуют и другие методы расчёта нагрузки предприятия: метод удельной плотности электрической нагрузки на единицу производственной площади, метод по установленной мощности и др.

Вопросы для самопроверки.

1. Указать категории приёмников электрической энергии и их режимы работы.

2. Что такое «график электрической нагрузки»? Для чего он строится?

3. Указать основные параметры графика электрических нагрузок. Пояснить их физический смысл.

4. Какие методы существуют для определения электропотребления предприятия? Указать порядок расчёта электрических нагрузок.

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги

Приёмники электрической энергии

Рекомендуемые материалы

Рекомендуемые лекции