Основные группы потребителей электроэнергии

Электроснабжение промышленных предприятий. Промышленные предприятия потребляют от 30 до 70 % электроэнергии, вырабатываемой в составе ЭЭС. Значительный разброс промышленного потребления определяется индустриальной развитостью и климатическими условиями различных стран; для индустриально развитых стран, включая РФ, характерны количественные значения данного энергопотребления в 50—70 %. В данную группу входят предприятия машиностроения, черной и цветной металлургии, химической промышленности, стройматериалов, текстильных и продовольственных производств и многих иных.

Суммарные установленные мощности ЭП и соответствующие им электрические нагрузки промышленных предприятий изменяются в весьма широких пределах, ориентировочно от единиц мегаватт (металлообработка, мелкое машиностроение и т.п.) до 300—500 МВт и более (крупное машиностроение, черная металлургия, электролиз алюминия и иных цветных металлов). Вместе с тем для основной части предприятий характерны мощности в пределах 10—100 МВт.

Системы электроснабжения промышленности характеризуется наибольшим многообразием видов применяемых ЭП, их номинальных мощностей и режимов работы. Вместе с тем основными из них в данной области являются асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (60—90 %), значительную часть которых составляют электродвигатели 5—50 кВт (380 В). Синхронные двигатели и крупные асинхронные с регулируемым пуском применяются в 10—20 % электроприводных установок. В связи с указанным основные влияния данных ЭП на СЭС в целом заключаются в: колебаниях напряжения, вызываемых значительными пусковыми токами короткозамкнутых асинхронных двигателей; возможностях массового торможения асинхронных двигателей при снижениях рабочего напряжения до 75—80 % номинального значения («лавина напряжения»); возможностях работы синхронных двигателей как с потреблением, так и с выдачей реактивной мощности.

Из всего многообразия видов ЭП промышленности значительное влияние на режимы СЭС (в некоторых случаях и на режимы ЭЭС) оказывают электротехнологические и выпрямительные установки [5.9, 5.12, 5.13, 5.18]. Электродуговые сталеплавильные печи характеризуются установленной мощностью до 100—150 МВт и резкопеременными режимами работы с изменениями потребляемой активной и реактивной мощности в единицы и десятки МВт/с и Мвар/с. Электросварочные агрегаты, широко применяемые в машиностроении, имеют установленную мощность до 2000 кВ · А, их работа характеризуется низкими коэффициентами мощности (0,2—0,6) и резкопеременной нагрузкой (сотни герц).

В указанных случаях неизбежны значительные колебания напряжения. При применении выпрямительных установок (электролиз, электротермия и др.) из сети переменного тока потребляются несинусоидальные токи, ведущие к несинусоидальности напряжения (в той или иной степени) в СЭС в целом.

В настоящее время значительная часть промышленных предприятий характеризуется 2—2¹/₂-сменным графиками работы (влияние социологических и здравоохранительных факторов). Упрощенный суточный график активных нагрузок такого производства приведен на рис 12.2, г Вместе с тем ряд производств, например, доменные, сталеплавильные, электролизные, химические и другие производства, естественно, вынуждены работать в 3 смены.

В ряде расчетов, как, например, определения потребляемой электроэнергии и годовых потерь электроэнергии, применяется показатель продолжительности использования наибольших нагрузок T_нб. Данная величина может приниматься равной 4500—5500 ч/год для 2—2¹/₂-сменных и 7500—8000 ч/год для 3-сменных и непрерывных производств.

Промышленные установки потребляют значительную реактивную мощность, поэтому «естественный» (без учета компенсации реактивных нагрузок) коэффициент мощности нагрузки обычно не выше 0,7—0,8.

Большая часть промышленных производств нуждается в высокой надежности электроснабжения, допуская перерывы подачи напряжения лишь на время включения резервного питания (резервные линии, трансформаторы) в пределах 1—2 с (I категория надежности электроснабжения по [5.19]). Наряду с этим: а) ряд производственных процессов химической, нефтеперерабатывающей, электронной и других видов промышленности требуют практически бесперебойного электроснабжения (особая категория по [5.19]), что осуществляется специальными резервными установками; б) ряд цехов и предприятия в целом (складские помещения, заготовка полуфабрикатов, деревообрабатывающие производства) допускают перерывы электроснабжения на время оперативных переключений дежурным персоналом в распределительных электросетях до 1 кВ и более высоких номинальных напряжений (II категория по [5.13, 5.18, 5.23]).

Более подробно о СЭС промышленности см. [5.4, 5.12, 5.13, 5.16, 5.18].

Электроснабжение коммунально-бытовых потребителей. К данной группе ПЭ относится широкий круг зданий, расположенных в жилых районах городов и населенных пунктов. Это — жилые здания, здания административно-управленческого назначения, учебные и научные заведения, магазины, здания здравоохранения, культурно-массового назначения, общественного питания и т.п.

Современные ПЭ данного типа характеризуются значительной номенклатурой ЭП, их относительно существенной номинальной мощностью и высокими коэффициентами насыщения данными ЭП бытовых и общественных зданий [5.22]. Установленные мощности ЭП оцениваются следующим образом: квартиры с газовыми плитами 25 кВт, то же — с электроплитами 40 кВт, коттеджи с электроплитами 50 кВт. Установленная мощность ЭП в жилых и общественных зданиях (в зависимости от типа, назначения и количества этажей и жилых секций) составляют от сотен киловатт и до единиц мегаватт.

Основными типами современных ЭП зданий данного назначения являются приборы электрического освещения, нагревательные приборы (плиты, отопление, горячая хозяйственная вода), холодильники и морозильники, кондиционеры воздуха и различные приборы электронного типа (аудио-, видеотехника и т.п.). Преобладание ламп накаливания в осветительных установках и ЭП нагревательного типа определяют высокие значения коэффициентов мощности на вводах в здания (0,85—0,95) в часы суточных максимумов нагрузок.

Значительная часть ПЭ данной группы предъявляет умеренные требования к надежности электроснабжения (II категория по [5.11]), допускающие перерывы питания на время оперативных переключений в распределительных электросетях до 1 кВ и 6—20 кВ. Вместе с тем лифтовые и пожарные установки жилых зданий в 17 этажей и более, крупные учебные и зрелищные заведения, как и особо ответственные административные здания, теплофикационные и водопроводные пункты и т.п., должны обеспечиваться автоматическим вводом резервного питания (АВР) в течение 1,5—2 с.

На рис. 5.3 б приведены примеры суточных графиков активных нагрузок некоторых ПЭ жилых районов города.

Современные плотности электрических нагрузок жилых районов городов, приведенные к шинам трансформаторных подстанций (ТП) 6—20/0,38 кВ, в зависимости от среднего количества этажей жилых зданий (5—16) составляют от 10 до 50 МВт/км². Соответствующие продолжительности использования наибольших нагрузок 4500—5000 ч/год.

Более подробные сведения о СЭС городов приведены в [5.5, 5.11, 5.17].

Электроснабжение электрифицированного транспорта. Выпрямительные подстанции электротранспорта на постоянном токе (городской, промышленный, междугородний) и понижающие ПС междугороднего электрического транспорта на переменном токе питаются электроэнергией от электрических сетей ЭЭС. Соответственно ПС городского электротранспорта (трамвай, троллейбус, метрополитен) располагаются на территориях городов и являются ПЭ городских сетей. Понижающие подстанции междугороднего транспорта, питающиеся непосредственно от электрических сетей ЭЭС, как правило, также располагаются на территории или вблизи населенных пунктов. Понижающие подстанции междугороднего электротранспорта питаются по сетям 110—220 кВ.

Электрические нагрузки подстанций в зависимости от объемов перевозок и номинальных напряжений питающих электросетей находятся в пределах 15—50 МВт. Аналогичные нагрузки ПС трамвая и троллейбуса, питающихся при напряжениях 6—10 кВ, находятся в пределах 0,5—3,0 МВт. Коэффициент мощности, потребляемой тяговыми ПС, существенно зависит от режимов нагрузки: в периоды наибольших нагрузок это 0,9—0,95, но при малых нагрузках он снижается до 0,5—0,6. Продолжительности использования наибольших нагрузок городского электротранспорта 5000—5500 ч/год; междугородний транспорт характеризуется большими значениями этой технической характеристики.

Системы электроснабжения электрического транспорта требуют высокой надежности электроснабжения (I категория по [5.20, 5.21]).

Современные СЭС электрического транспорта оказывают существенное влияние на показатели качества напряжения в питающих электрических сетях от 6—20 до 110 кВ. Это связано: а) с применением установок выпрямления тока, что обусловливает несинусоидальность напряжения; б) с несимметрией напряжения при электротяге на однофазном переменном токе (27,5 кВ); в) с колебаниями напряжения в сетях 6—10 кВ, вызываемыми пусковыми токами двигателей трамваев и троллейбусов.

Подробнее см. [5.8, 5.20].

Коротко охарактеризованные ПЭ в значительной части располагаются на территориях городов и в ближних пригородных зонах и поэтому в большинстве случаев питаются от общих ПС 35—220 кВ ЭЭС. В зависимости от преобладания промышленных потребителей или ПЭ жилых и административных районов утренний максимум нагрузок может быть больше или меньше вечернего максимума на 10—15 %.

Электроснабжение сельского хозяйства. Системы электроснабжения сельского хозяйства включают питание электроэнергией всех потребителей, располагающихся на территориях сельскохозяйственных районов. Это — электроснабжение всех видов сельскохозяйственных производств, а также комплексов коммунально-бытовых потребителей сельских населенных пунктов. Примерами ПЭ в данной области являются животноводческие, птицеводческие, зернообрабатывающие комплексы, зерно- и овощехранилища, парниковые установки, а также жилые здания, медицинские, торговые, культурно-образовательные учреждения и т.п. Электрические нагрузки отдельных ПЭ изменяются в весьма широких пределах: от единиц киловатт для малоэтажных зданий до единиц мегаватт для животноводческих и зернообрабатывающих комплексов и т.п..

Питание электроэнергией СЭС сельского хозяйства осуществляется преимущественно от ПС 35—110 кВ ЭЭС. В районах, удаленных от электросетей ЭЭС, а также в качестве резервных источников питания ПЭ, не допускающих перерывы электроснабжения или допускающих такие перерывы в пределах 20—30 мин, применяются дизельные электростанции мощностью от десятков до сотен киловатт. В единичных случаях сооружаются местные гидроэлектростанции аналогичной мощности.

Пример суточного графика электрических нагрузок ПС 6—20/0,38 кВ сельскохозяйственных ПЭ приведен на рис. 5.3. Различия между графиками зимних и летних суток зависят от соотношений нагрузок жилых зданий и сельскохозяйственного производства, а также от географической широты рассматриваемого района (климатические условия, долгота светового дня).

Коэффициенты мощности жилых и иных зданий сельских населенных пунктов составляют 0,9—0,95, а основных производств 0,75—0,85.

Продолжительность использования наибольших нагрузок сельских ПЭ — в пределах 2000—3500 ч/год.

Значительная часть ЭП сельских ПЭ допускает аварийные перерывы электроснабжения на время восстановления питания оперативных переключений в распределительных электросетях (II категория по [5.14, 5.21]). Вместе с тем крупные животноводческие комплексы и птицефабрики требуют автоматизированного восстановления питания основных ЭП в течение нескольких минут во избежание потерь сельскохозяйственных животных и птиц (в первую очередь молодняка); такие ЭП относятся к I категории по требованиям надежности электроснабжения [5.2, 5.23].

Выше были приведены базовые сведения по основным группам ПЭ. Несомненно, что имеются разновидности электроэнергетических характеристик иных ПЭ, таких как горно-, нефте- и газодобывающей промышленности, крупных хладо- и теплогенерирующих установок, морских и авиационных портов, объектов обороны страны и др.