Графики электрических нагрузок 1 страница

Электроснабжение потребителей как подсистема энергетической и технологической систем

Система электроснабжения промпредприятия является подсистемой энергосистемы, обеспечивающей комплексное электроснабжение промышленных, транспортных, коммунальных и сельскохозяйственных потребителей данного района. В то же время система электроснабжения промпредприятия является подсистемой технологической системы производства данного предприятия, которая предъявляет определенные требования к электроснабжению.

Системы электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий создаются для обеспечения питания электроэнергией промышленных приемников электрической энергии, к которым относятся электродвигатели различных машин и механизмов, электрические печи, электролизные установки, аппараты и машины для электрической сварки, осветительные установки и другие промышленные приемники электроэнергии.

В настоящее время большинство потребителей получает электрическую энергию от энергосистем, которые объединяют с помощью линий электропередач источники электроэнергии – электрические станции.

Энергетической системой (энергосистемой) называется совокупность электростанций, электрических и тепловых сетей, соединенных между собой и связанных общностью режима в непрерывном процессе производства, преобразования и распределения электроэнергии и теплоты при общем управлении этим режимом.

Электроэнергетической системой называется электрическая часть энергосистемы и питающиеся от нее приемники электроэнергии, объединенные общностью процесса производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

Электроснабжение – обеспечение потребителей электроэнергией.

Система электроснабжения (СЭС) совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электроэнергией.

Централизованное электроснабжение – электроснабжение потребителей электроэнергии (ЭП) от энергосистемы.

Электрическая сеть – совокупность электроустановок для передачи и распределения электроэнергии, состоящая из подстанций (п/ст), и распределительных устройств (РУ), токопроводов, воздушных и кабельных линий электропередачи, работающих на определенной территории.

Приемник электроэнергии (электроприемник, ЭП) – аппарат, агрегат и др., предназначенный для преобразования электроэнергии в другой вид энергии.

Потребитель электроэнергии – ЭП или группа ЭП, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.

Независимый источник питания – источник, на котором сохраняется напряжение в послеаварийном режиме в регламентированных пределах при исчезновении его на другом или других источниках питания.

В то же время на ряде предприятий продолжается сооружение собственных ТЭЦ, что обусловливается рядом причин:

а) потребностью в тепловой энергии для технологических целей и отопления и эффективностью попутного производства при этом электрической энергии;

б) необходимостью резервного питания для ответственных потребителей;

в) большой удаленностью некоторых предприятий от энергосистем.

Промышленные объекты относятся к отраслям промышленности, которые укрупненно можно разделить следующим образом:

а) горнодобывающая промышленность (угольные шахты и рудники; карьеры открытой добычи угля, руды и нерудных ископаемых; нефтепромыслы; горно-обогатительные комбинаты и агломерационные фабрики);

б) черная металлургия (коксохимические цеха; установки доменных цехов; установки мартеновских и конверторных цехов; установки прокатных цехов);

в) машиностроение и металлообработка (металлорежущие станки; кузнечно-штамповочные машины и прессы; деревообрабатывающие станки; электроинструмент);

г) химическая промышленность (азотная промышленность, производство соды, суперфосфата, серной кислоты, карбида кальция, хлора, металлического натрия, резиновых шин и технических изделий, синтетического каучука и т.д.);

д) нефтеперерабатывающая промышленность;

е) бумажно-целлюлозная промышленность;

ж) текстильная и легкая промышленность (прядильные и ткацкие фабрики хлопчатобумажных, суконных и искусственных тканей; обувные, галантерейные, меховые и другие фабрики);

и) промышленность строительных материалов (цементные, стекольные, кирпичные заводы, заводы железобетонных изделий);

к) Пищевая промышленность (элеваторы, мельницы, крупяные и комбикормовые заводы, хлебозаводы, сахарные, молочные, спиртовые и другие заводы).

На промышленных предприятиях всех отраслей можно выделить большую группу общепромышленных установок, к которым относятся:

а) подъемно-транспортные машины (тельферы, кран-балки, мостовые, консольные и козловые краны, подъемники, лифты, манипуляторы и другие);

б) поточно-транспортные системы (конвейеры, перегрузочные механизмы, транспортеры, шнеки, нории);

в) компрессоры, насосы, вентиляторы.

Особо следует выделить такую отрасль промышленности как электротехнология, в которую входят: а) электротермические установки (ЭТУ); б) электросварочные установки; в) электролизные установки; г) электрические методы обработки металлов; д) установки электрического поля высокого напряжения.

Наиболее распространенным потребителем электроэнергии является электрическое освещение производственных помещений (лампы накаливания, галогенные лампы, люминесцентные лампы, ртутные кварцевые лампы, ксеноновые и натриевые лампы).

Графики электрических нагрузок

Электрическая нагрузка характеризует потребление электроэнергии отдельными приемниками, группой приемников в цехе, цехом и заводом в целом. При проектировании и эксплуатации систем электроснабжений промышленных предприятий основными являются три вида нагрузок: активная мощность P, реактивная мощность Q и ток I.

Электрическая мощность может наблюдаться визуально по измерительным приборам. Регистрировать изменение нагрузки во времени можно самопишущими приборами (рисунок 1). В условиях эксплуатации изменения нагрузки по активной и реактивной мощности во времени записывают, как правило, в виде ступенчатой кривой по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии, снятым через одинаковые интервалы времени t_н (рисунок 2).

Кривые изменения активной и реактивной мощностей и тока во времени называются графиками нагрузок соответственно по активной мощности, реактивной мощности и току.

Графики нагрузок подразделяются на индивидуальные - для отдельных приемников электроэнергии и групповые – для группы приемников электроэнергии. Индивидуальные графики нагрузок обозначаются строчными буквами: p(t); q(t); i(t); групповые графики нагрузок обозначаются прописными буквами: P(t); Q(t); I(t).

;

;

.

Индивидуальные графики необходимы для определения нагрузок мощных приемников электроэнергии (электрических печей, преобразовательных агрегатов главных приводов прокатных станов и т.п.)

При проектировании электроснабжения промышленных предприятий, как правило, используются групповые графики нагрузок. Графики нагрузок всего промышленного предприятия дают возможность определить потребление активной и реактивной электроэнергии предприятием, правильно и рационально выбрать питающие предприятия источники тока, а также выполнить наиболее рациональную схему электроснабжения.

По продолжительности различают сменные, суточные и годовые графики нагрузок предприятия. Каждая отрасль промышленности имеет свой характерный график нагрузок, определяемый технологическим процессом.

С точки зрения регулярности режимов приемников их индивидуальные графики нагрузок могут быть подразделены на периодические, цикличные и нецикличные и нерегулярные.

Групповые графики подразделяются на периодические, почти периодические и нерегулярные.

Построение годового графика по продолжительности

Наиболее загруженным днем в году принято считать 22.12, а наименее загруженным – 22.06. Имея суточные графики этих дней, можно построить годовой график по продолжительности. В зависимости от климатической зоны мы имеем N_з и N_л – количество зимних и летних дней в году.

Рисунок 3 – Годовой график по продолжительности

На зимнем графике максимальная ордината продолжительностью более или равная 30 минутам принимается за расчетную. Для каждой ординаты зимнего и летнего графика подсчитывается продолжительность соответствующей нагрузки за год и строится падающий ступенчатый график по продолжительности за год. Площадь годового графика равна в определенном масштабе расходу электроэнергии за год. Такой график характеризует эффективность работы предприятия по расходу электроэнергии.

Лекция № 2. Характеристики промышленных потребителей электроэнергии

Содержание лекции:

- даются основные определения и обозначения по теме.

Цели лекции:

- изучить электрические нагрузки – средние, среднеквадратичные, максимальные, расчетные.

Потребители электроэнергии характеризуются по нескольким параметрам:

а) приемники электроэнергии промпредприятий по роду тока делятся на следующие группы:

1) приемники трехфазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц;

2) приемники трехфазного тока напряжением выше 1000 В, частотой 50Г ц;

3) приемники однофазного тока напряжением до 1000 В, частотой 50 Гц;

4) приемники, работающие с частотой, отличной от 50 Гц, питаемые от преобразовательных подстанций и установок;

5) приемники постоянного тока, питаемые от преобразовательных подстанций и установок.

В настоящее время электроснабжение промпредприятий ведется на переменном трехфазном токе. Для питания групп приемников постоянного тока сооружаются преобразовательные подстанции, на которых устанавливаются преобразовательные агрегаты: полупроводниковые выпрямители, ртутные выпрямители, двигатели-генераторы (ГД) и механические выпрямители.

Преобразовательные агрегаты питаются от сети трехфазного тока и являются поэтому приемниками трехфазного тока.

Приемники постоянного тока, имеющие индивидуальные преобразовательные агрегаты: электропривод по системе ГД, ионный электропривод и т.п., являются с точки зрения электроснабжения приемниками трехфазного тока.

Часто встречающиеся приемники постоянного тока, требующие питания от преобразовательных подстанций: внутризаводской электрифицированный транспорт, электролизные производства, некоторые электродвигатели подъемно-транспортных и вспомогательных механизмов;

б) по напряжению – согласно ПУЭ электротехнические установки, производящие, преобразующие, распределяющие и потребляющие электроэнергию, подразделяющиеся на электроустановки напряжением до 1000 В и электроустановки напряжением выше 1000 В;

в) режимы нейтралей:

1) установки напряжением до 1000 В выполняются как с глухо заземленной, так и с изолированной нейтралью, а установки постоянного тока – с глухо заземленной и изолированной нулевой точкой.

Электрические установки до 1000 В с изолированной нейтралью следует применять при повышенных требованиях по безопасности (торфяные разработки, угольные шахты и т.п.) при условии, что в этом случае обеспечивается контроль изоляции сети и целость пробивных предохранителей, быстрое обнаружение персоналом замыканий на землю и быстрая ликвидация их, либо автоматическое отключение участков с замыканием на землю.

В четырехпроводных сетях переменного тока и трехпроводных сетях постоянного тока без повышенной опасности глухое замыкание нейтралей обязательно;

2) электроустановки напряжением выше 1000 В делятся на установки:

– с изолированной нейтралью (напряжение до 35 кВ);

– с нейтралью, включенной на землю через индуктивное сопротивление для компенсации емкостных токов (напряжение до 35 кВ и редко 110 кВ);

– с глухо заземленной нейтралью (напряжение 110 кВ и выше).

Кроме того, все эти установки подразделяются на установки с малыми токами замыкания на землю (до 500 А) и установки с большими токами замыкания на землю (более 500 А);

г) по частоте тока приемники электроэнергии делятся на приемники промышленной частоты (50 Гц) и приемники с высокой (выше 100 кГц), повышенной (до 10 кГц) и пониженной (ниже 50 Гц) частотами.

Большинство приемников используют электроэнергию нормальной промышленной частоты. Установки высокой и повышенной частоты применяются для нагрева под закалку, ковку и штамповку металлов, а также для плавки металлов. К приемникам с повышенной частотой относятся, например, электродвигатели в текстильной промышленности при производстве искусственного шелка (частота 133 Гц);

д) приемники электроэнергии могут быть подразделены на группы по сходству режимов, то есть по сходству графиков нагрузки. Деление потребителей на группы позволяет более точно находить суммарную электрическую нагрузку.

Различают три характерные группы приемников:

а) приемники, работающие с продолжительной неизменной или мало меняющейся нагрузкой (рисунок 4). В этом режиме электрическая машина или аппарат может работать продолжительное время без повышения температуры отдельных частей машины или аппарата свыше допустимой.

Рисунок 4 ­

Примерами приемников, работающих в этом режиме, являются электродвигатели компрессоров, насосов, вентиляторов, и т.п.;

Рисунок 5 ­

Примерами данной группы приемников являются электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов металлорежущих станков (механизмы подъема поперечины, зажимы колонн, двигатели быстрого перемещения суппортов и др.), задвижки, затворы и т.п.;

в) приемники, работающие в режиме повторно-кратковременной (ПКР) нагрузки (рисунок 6). В этом режиме кратковременные рабочие периоды машины или аппарата чередуются с кратковременными периодами отключения. Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения (ПВ) и длительностью цикла. В повторно-кратковременном режиме электрическая машина или аппарат может работать с допустимой для них относительной продолжительностью включения неограниченное время, причем, превышение температур отдельных частей машины или аппарата не выйдет за пределы допустимых значений.

Примером этой группы приемников являются электродвигатели кранов, сварочные аппараты, прокатные станы и др.

Рисунок 6 ­

Для перечисленных режимов работы приемников в соответствии с ГОСТ 183-74 электропромышленность выпускает электродвигатели, рассчитанные на указанные условия работы;

е) несимметричность нагрузки или неравномерность загрузки фаз. К симметричным нагрузкам относятся электродвигатели трехфазных потребителей и трехфазные печи. К несимметричным нагрузкам (одно-двухфазным) следует отнести электрическое освещение, однофазные и двухфазные печи, однофазные сварочные аппараты и т.п. в том случае, когда распределить их симметрично по фазам не удается;

ж) надежность (бесперебойность) питания. [ПУЭ 1998 г].

В отношении обеспечения надежности электроснабжения электроприемники разделяются на следующие три категории:

а) электроприемники I категории – электроприемники, перерыв электроснабжения которых может повлечь за собой: опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству; повреждение дорогостоящего основного оборудования, массовый брак продукции, расстройство сложного технологического процесса, нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава электроприемников I категории выделяется особая группа электроприемников, бесперебойная работа которых необходима для безаварийной остановки производства с целью предотвращения угрозы жизни людей, взрывов, пожаров и повреждения дорогостоящего основного оборудования;

б) электроприемники II категории – электроприемники, перерыв электроснабжение которых приводит к массовому недоотпуску продукции, массовым простоям рабочих, механизмов и промышленного транспорта, нарушению нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей;

в) электроприемники III категории – все остальные электроприемники, не подходящие под определения I и II категории.

Электроприемники I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаимно резервирующих источников питания, и перерыв их электроснабжения при нарушении электроснабжения от одного из источников питания может быть допущен лишь на время автоматического восстановления питания.

Для электроснабжения особой группы электроприемников I категории должно предусматриваться дополнительное питание от третьего независимого взаимно резервирующего источника питания.

В качестве третьего независимого источника питания для особой группы электроприемников и в качестве второго независимого источника питания для остальных электроприемников I категории могут быть использованы местные электростанции, электростанции энергосистем, специальные агрегаты бесперебойного питания, аккумуляторные батареи и т.п.

Для электроприемников II категории рекомендуется питание от двух независимых взаимно регулирующих источников. При нарушении электроснабжения от одного из источников питания допустимы перерывы электроснабжения на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной бригады.

Для электроприемников III категории электроснабжение может выполняться от одного источника питания при условии, что перерывы электроснабжения, необходимые для ремонта или замены поврежденного элемента системы электроснабжения, не превышают 1 суток.

Лекция № 3. Электрические нагрузки промышленных предприятий

Содержание лекции:

- основные определения и обозначения нагрузки.

Цели лекции:

- изучение видов нагрузок: средних, среднеквадратичных, максимальных, расчетных.

Основой рационального решения всего сложного комплекса технико-экономических вопросов при проектировании электроснабжения современного промышленного предприятия является правильное определение ожидаемых электрических нагрузок. Определение электрических нагрузок является первым этапом проектирования любой системы электроснабжения. Значения электрических нагрузок определяют выбор всех элементов проектируемой системы электроснабжения. От правильной оценки ожидаемых нагрузок зависят капитальные затраты, расход цветного металла, потери электроэнергии и эксплуатационные расходы.

Основные определения и обозначения

Номинальная мощность электроприемника – эта мощность, обозначенная на заводской табличке или в паспорте двигателя, силового или специального трансформатора, либо на цоколе или колбе источников света. Под номинальной мощностью электродвигателя понимается мощность Р_н, развиваемая двигателем на валу при номинальном напряжении, а под номинальной мощностью других приемников энергии – потребляемая ими из сети мощность при номинальном напряжении, определенных условиях среды и том режиме работы, для которых они предназначены.

Номинальная мощность приемников всегда приводится к нагрузке длительного режима их работы.

Паспортная мощность приемников повторно-кратковременного режима приводиться к номинальной длительной мощности при продолжительности включения ПВ=100% по следующим формулам

для электродвигателей

Р_ном=Р_пасп. ;

для трансформаторов

S_ном=S_пасп. ,

где Р_пасп, (кВт); S_пасп, (кВА);

ПВ_пасп. – относительная продолжительность включения приемника;

для трансформаторов электрических печей

Р_ном= S_пасп.cosj_пасп,

где cosj_пасп – номинальный коэффициент мощности трансформатора электрических печей.

Для трансформаторов сварочных машин и трансформаторов ручной сварки номинальная активная мощность – эта некоторая условная мощность, приведенная к ПВ=100%.

Р_ном= S_{пасп .} cosj_пасп.

Применительно к агрегатам с многодвигательным приводом, кроме крановых установок, под термином «приемник электроэнергии» следует понимать весь агрегат в целом, а под его номинальной мощностью – сумму номинальных мощностей всех двигателей агрегата, приведенных к ПВ=100%.

Для крановых установок под термином «приемник электроэнергии» следует иметь в виду электропривод каждого механизма, включая приводимые двумя двигателями, мощности которых складываются.

Групповая номинальная активная мощность – это сумма номинальных (паспортных) активных мощностей отдельных рабочих приемников

.

Под номинальной реактивной мощностью приемника понимается реактивная мощность, потребляемая из сети (знак плюс) или отдаваемая в сеть (знак минус) при номинальной активной мощности и номинальном напряжении, а для синхронных двигателей – при номинальном токе возбуждения при номинальном коэффициенте мощности.

Групповая номинальная реактивная мощность – это алгебраическая сумма номинальных реактивных мощностей отдельных рабочих приемников

.

Средние нагрузки

Среднее значение изменяющейся величины является ее основной статистической характеристикой, следовательно, постоянные осредненные значения нагрузки характеризуют графики переменных нагрузок. Суммарная средняя нагрузка всех приемников электроэнергии группы дает возможность приближенно оценить нижний предел возможных значений расчетных нагрузок. Средние активная и реактивная мощности приемника за любой интервал времени в общем виде определяются из выражений

; .

Средняя активная (или реактивная) мощность группы приемников равна сумме средних активных (или реактивных) мощностей отдельных рабочих приемников, входящих в данную группу

; .

Средние нагрузки за максимально загруженную смену обозначаются Р_см и Q_см; за год Р_сг и Q_сг, где Р_см=W_см/Т_см; Q_см=V_см/Т_см; Р_сг=W_г/Т_г; Q_сг=V_г/Т_г.

Величины Р_см и Q_см являются основной величиной при расчете нагрузок групп приемников. Наиболее загруженной сменой является смена с наибольшим потреблением энергии данной группы приемников, цехом или предприятием в целом для характерных суток (22 июня и 22 декабря – сутки с наименьшим и наибольшим потреблением электроэнергии).

Среднеквадратичные нагрузки

Среднеквадратичные нагрузки Р_ск, Q_ск, I_ск за любой интервал времени в общем виде определяются из следующих выражений

; ; ,

где Т – рассматриваемый период времени.

Максимальные нагрузки

Максимальные значения активной мощности р_м, Р_м, реактивной мощности q_м, Q_м, полной мощности s_м, S_м и тока i_м, I_м представляют собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени. Максимальные нагрузки характеризуются ожидаемой частотой появления за тот или иной период времени.

По продолжительности различают два вида максимальных нагрузок:

а) максимальные длительные нагрузки различной продолжительности (10, 15, 30, 60, 120 мин), определяемые для выбора элементов системы электроснабжения по нагреву и расчета максимальных потерь мощности в них;