Графики электрических нагрузок 3 страница

Определение расчетных нагрузок

Существуют несколько методов определения расчетных нагрузок.

К основным следует отнести методы определения электронагрузок по:

а) установленной мощности и коэффициенту спроса;

б) средней мощности и коэффициенту максимума (метод упорядоченных диаграмм графиков нагрузки);

в) средней мощности и коэффициенту формы графиков нагрузок;

г) средней мощности и отклонению от средней расчетной нагрузки (статистический метод).

К вспомогательным можно отнести методы определения расчетных нагрузок по:

а) удельному расходу электроэнергии на единицу продукции при заданном объеме выпуска продукции за определенный период;

б) удельной нагрузке на единицу производственной площади.

Определение расчетной нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса

Расчетная нагрузка для группы однородных по режиму работы приемников определяется из следующих выражений

;

;

,

где К_с.а – коэффициент спроса данной характерной группы, принимаемый по справочным материалам;

tgj соответствует характерному для данной группы приемников cosj, определяемому по справочным материалам.

Расчетная нагрузка узла СЭС (цеха, корпуса, предприятия) определяется суммированием расчетных нагрузок отдельных групп приемников

,

где – сумма расчетных активных нагрузок отдельных групп приемников;

– то же, реактивных;

К_р.м – коэффициент разновременности максимумов нагрузок, принимаемый 0,85¸1,0 в зависимости от места нахождения данного узла в СЭС.

Определение расчетной нагрузки по методу «Упорядоченных диаграмм нагрузок»

Р_р= Р_см×К_м; Р_см= Р_ном×К_и;

Q_р=1,1×Q_см – при n_э=n_n<10; Q_см=Р_см×tgj

Q_р=Q_см – при n_э=n_n³10.

К_м определяется по графикам или таблицам зависимости К_м=f (n_э; К_и).

Имеются методы упрощенного нахождения К_м и n_э:

1. Если n_э ³ 200, то при любых значениях К_и

Р_р=Р_см.

2. Если К_и ³ 0,9, то при любых значениях n_э

Р_р=Р_см.

3. Если n ³ 4, то при m £ 3

n_э=n (n – фактическое число ЭП)

4. Если n ³ 4, то при m > 3 и К_и ³ 0,2

, если окажется, что n_э > n, то принимаем n_э = n

5. Если n ³ 4, то при m > 3 и К_и < 0,2 n_э определяется по вспомогательным кривым:

Вводим следующие обозначения:

n – фактическое число ЭП в группе;

n₁ – число наибольших ЭП в группе, подключенных к узлу, мощность каждого из которых не менее половины мощности наибольшего электроприемника;

n_*= – относительное число наибольших ЭП;

Р_н1 – суммарная мощность n₁, ЭП;

Р_н – суммарная номинальная мощность n ЭП узла;

Р_*= – относительная мощность наибольших ЭП.

зная n_* и Р_* определяем по кривым n_э*

n_э*= Þ n_э= n_э*× n.

6. Если n £ 3, то Р_р=SР_н

при ПКР: Q_р=0,87Р_р; для ЭП длительного режима Q_р=0,75Р_р

7. Если n > 3, но n_э < 4, то Р_р=S(Р_н×К_з)

8. Для ЭП длительного режима при к_и ³ 0,6, к_и ³ 0,9

к_м=1; Р_р=Р_см.

Определение расчетной нагрузки по средней мощности и коэффициенту формы

Р_р=К_ф.а×Р_см,

Q_р=К_ф.р.×Q_см или Q_р=Р_р×tgj,

.

В этом методе Р_см можно определить

Р_см=Р_н×К_и или ,

где М_см – производительность за максимально загруженную смену;

w_а – удельный расход электроэнергии на единицу продукции.

Определение расчетной нагрузки по удельному расходу электроэнергии на единицу продукции

W_г=М_г×w_уд,

М_г – годовой выпуск продукции, шт, м, т, м²;

w_уд – удельный расход электроэнергии, ;

, кВт, где Р_сг – среднегодовая мощность нагрузки; Т_г – годовой фонд рабочего времени, ч.;

, кВт; a - коэффициент сменности по энергоиспользованию, a@0,5¸0,9.

Определение расчетной нагрузки по удельной нагрузке на единицу производственной площади

Р_р=r_о×F,

где F – площадь размещения приемников группы, м²;

r_о – удельная расчетная мощность на 1 м² производственной площади, кВт/м².

Метод применим для сетей цехов, в которых приемники имеют малую мощность и они равномерно распределены на производственной площади.

Удельная расчетная мощность для силовых электроприемников определяется по справочным материалам и лежит в пределах 0,15¸1,5 А/м² или 0,1¸1,0 кВт/м².

Для осветительной нагрузки r_осв=0,01¸0,02 кВт/м² при освещении лампами накаливания; 0,009¸0,018 кВт/м² при освещении люминесцентными лампами, 0,005¸0,01 кВт/м² при освещении газоразрядными лампами без компенсации реактивной мощности и 0,009¸0,018 кВт/м² при освещении газоразрядными лампами с компенсацией реактивной мощности.

Q_р.о=Р_р.о×tgj_о.

Лекция № 6. Компенсация реактивной мощности

Содержание лекции:

- физическая сущность реактивной мощности.

Цели лекции:

- понятие о генерации, потреблении и балансе реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности.

Реактивная мощность в электрических сетях

Пусть приемник электроэнергии присоединен к источнику синусоидального напряжения и потребляет синусоидальный ток , сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол j.

Значение мгновенной мощности на зажимах приемника определяется выражением

и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой.

Рисунок 10 – Кривые мгновенных значений тока, напряжения и мощности

Среднее значение мгновенной мощности р за период питающего напряжения Т полностью определяется первым слагаемым

.

Эта величина, именуемая активной мощностью, характеризует энергию, выделяемую в единицу времени на производство полезной работы, например, в виде тепла в приемнике с активным сопротивлением R

Р=U×I×cos j=I²R.

Среднее значение от второго слагаемого мгновенной мощности за время Т равно нулю, т.е. на ее создание не требуется каких-либо материальных затрат, и поэтому она не может совершать полезной работы. Ее присутствие указывает, что между источником и приемником происходит обмен энергией, а это возможно лишь в том случае, если имеются особые реактивные элементы, способные накапливать и отдавать электромагнитную энергию – емкость и индуктивность.

Таким образом, полную мощность на зажимах приемника в комплексной форме можно представить следующим образом

S=U×Icosj+jUIsinj=Р+jQ,

где Q – реактивная мощность.

Физическая сущность реактивной мощности

, квар.

Q – реактивная мощность, квар;

I – фазный ток, А;

Х – фазное индуктивное сопротивление, Ом;

Ф_т – амплитуда переменного магнитного потока, Вб;

В_т – амплитуда магнитной индукции;

m – магнитная проницаемость магнитной цепи, Гн/м;

V – объем магнитной цепи, см³;

U – напряжение, В.

Потребление реактивной мощности

Как известно, реактивная мощность может иметь индуктивный или емкостный характер нагрузки. Считается, что если ток отстает по фазе от напряжения, то нагрузка имеет индуктивный характер, а реактивная мощность потребляется и имеет положительный знак (+). В элементах сети имеют место потери реактивной мощности, которые могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приемниками электроэнергии. Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются АД (60-65% от общего потребления), трансформаторы (20-25%), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные и кабельные электросети и прочие приемники (10%).

Для сравнения: активная мощность Р так же, как и реактивная потребляется приемниками и теряется в элементах сети и электрооборудования.

Генерация реактивной мощности

Если ток опережает напряжение, то нагрузка имеет емкостный характер, а реактивная мощность генерируется и имеет отрицательное значение (-). Реактивная мощность генерируется генераторами электростанций, синхронными двигателями, батареями силовых конденсаторов, тиристорными источниками реактивной мощности и линиями.

Для сравнения: активная мощность генерируется генераторами электростанций.

Баланс реактивной мощности

SQ_i=0_i, SQ_потр=SQ_ист;

SQ_потр=Q_нагр+DQ_{(потери)}.

SQ_ист=Q_ген+ Q_сд+ Q_бк+ Q_лэп+ Q_{тирист ист р.м.}+….

Для сравнения

SР_i=0_i, Р_ген=Р_нагр+DР_{(потери)}.

Коэффициенты мощности

До недавнего времени основным нормативным показателем, характеризующим реактивную мощность, был коэффициент активной мощности . На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0,92-0,95. Однако соотношение P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении этого коэффициента от 0,95 до 0,94 реактивная мощность изменяется на 10%, а при изменении от 0,99 до 0,98 приращение реактивной мощности составляет уже 42%.

При расчетах удобнее оперировать соотношением tgj=Q/Р, которое называют коэффициентом реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности – это установка компенсирующих устройств, благодаря которым увеличивается пропускная способность сети, уменьшаются потери мощности и электроэнергии в сети и улучшается режим напряжения сети.

Технико-экономические условия компенсации реактивной мощности – это условия, при которых обеспечиваются наилучшие показатели работы СЭС. Эти условия определяющие:

1. За счет компенсации происходит снижение полной мощности и тока; увеличивается пропускная способность линий и трансформаторов; при проектировании можно снизить сечение проводов и мощности трансформаторов:

,

.

2. За счет установки КУ происходит снижение потерь активной и реактивной мощностей

, ,

, .

3. Снижаются потери электроэнергии

– уменьшается расход электроэнергии.

4. Снижаются потери напряжения

, .

Энергосистемы имеют ограниченные возможности снабжения предприятия реактивной мощностью, определяемые располагаемой реактивной мощностью генераторов. Соблюдение баланса реактивных мощностей достигается за счет мероприятий, снижающих потребление реактивной мощности предприятиями от энергосистемы. Эти мероприятия разбиваются на: I – мероприятия, не требующие специальных компенсирующих устройств и целесообразные во всех случаях, и II – требующие установки специальных компенсирующих устройств для выработки реактивной мощности.

1 Мероприятия по уменьшению потребления реактивных мощностей

Снижение потребления реактивной мощности самими электроприемниками и повышение естественного коэффициента мощности может быть достигнуто следующими мероприятиями:

а) повышением загрузки технологических агрегатов, упорядочением технологического процесса, повышением загрузки и коэффициента загрузки электродвигателей;

б) снижением напряжения питания асинхронных двигателей, загруженных не выше, чем на 45%, путем переключения схемы обмоток с D на U. При этом вращающий момент и активная мощность электродвигателя уменьшаются в 3 раза, загрузка двигателя и его коэффициент мощности повышаются, а потребление реактивной мощности снижается. Такое переключение возможно при напряжении обмотки двигателя 660/380 В и напряжении сети 380 В;

в) установкой ограничителей холостого хода асинхронных электродвигателей и сварочных трансформаторов;

г) отключением цеховых трансформаторов, загруженных менее 30%, с переводом нагрузки на другие трансформаторы;

д) заменой систематически недогруженных асинхронных двигателей со средним К_з < 45% на двигатели меньшей мощности;

е) заменой изношенных асинхронных двигателей синхронными (вместо Q_АД появляется -Q_СД). Для вновь устанавливаемых механизмов, не требующих регулирования скорости и работающих в продолжительном режиме (насосы, компрессоры, вентиляторы), рекомендуется применять синхронные двигатели.

2 Компенсирующие устройства для реактивных нагрузок

Синхронные генераторы электростанций

Источниками реактивной мощности могут быть генераторы станций при малой их удаленности от потребителей (например, станции типа ТЭЦ), что особенно важно в послеаварийных режимах, когда генерация реактивной мощности другими источниками ограничивается.

Генераторы являются постоянным источником реактивной мощности, выдаваемой в зависимости от возможностей электростанций или энергосистемы. При этом энергосистема дает значение tgj_э, по которому рассчитывается Q_э по формуле

Q_э=tgj_э×SР_р.нагр,

где Q_э – реактивная мощность, выдаваемая энергосистемой;

SР_р – суммарная реактивная мощность предприятия.

При выборе компенсирующих устройств необходимо определять целесообразную степень использования реактивной мощности работающих генераторов ближайших электростанций. Критерием такой целесообразности являются приведенные затраты на генерацию и передачу реактивной мощности от электростанций. Затраты на генерацию при этом будут определяться только стоимостью дополнительных потерь в генераторе. В большинстве случаев передача реактивной мощности от генераторов станций является экономически целесообразной, если это не вызывает увеличения числа или сечения питающих линий, числа трансформаторов и других затрат по усилению сети.

Лекция № 7. Компенсация реактивной мощности (продолжение темы)

Содержание лекции:

- изучение способов компенсации реактивной мощности.

Цели:

- изучить источники реактивной мощности: синхронные двигатели (СД) и компенсаторы, статические конденсаторы.

Синхронные двигатели

Главное преимущество СД перед АД заключается в том, что путем изменения тока возбуждения СД можно изменять величину реактивной мощности. В зависимости от величины тока возбуждения реактивная мощность может выдаваться в сеть (при перевозбуждении) и потребляться от сети (при невозбуждении).

СД, применяемые для электропривода, в основном, изготовляют с cosj=0,9 при опережающем токе. СД – эффективное средство компенсации реактивной мощности. Наибольший верхний предел возбуждения СД определяется допустимой температурой обмотки ротора с выдержкой времени, достаточной для форсировки возбуждения при кратковременных снижениях напряжения. Максимальное значение реактивной мощности зависит от загрузки двигателя активной мощностью К_з, подводимого напряжения и технических данных двигателя

, где

Р_ном – номинальная активная мощность двигателя;

К_п.р.м. – коэффициент перегрузки по реактивной мощности (определяется по справочным данным);

К_пд – коэффициент полезного действия.

Основным критерием для выбора рационального режима возбуждения СД являются дополнительные потери активной мощности на генерацию реактивной мощности

,

где Д₁ и Д₂ – расчетные коэффициенты, зависящие от параметров двигателя (приводятся в таблицах), кВт;

Q_сд – реактивная мощность, выдаваемая СД;

Q_ном – номинальная мощность СД;

и – удельные потери мощности, ; .

Достоинства СД:

а) они отдают реактивную мощность в сеть на месте установки, имея полезную нагрузку на валу;

б) допускают форсировку возбуждения и широкие пределы регулирования отдаваемой реактивной мощности;

в) меньше зависят от колебаний напряжения, чем конденсаторы (М_вр=U);

г) повышают устойчивость системы;

д) стоимость СД не входит в формулу затрат на генерацию ими реактивной мощности.

Недостатки СД:

а) относительно высокие удельные потери активной мощности 0,009¸0,054 [9¸54 ].

Синхронные компенсаторы (СК)

СК представляют собой СД облегченной конструкции без нагрузки на валу. Они могут работать как в режиме генерирования реактивной мощности (при перевозбуждении СК), так и в режиме ее потребления (при недовозбуждении).

В настоящее время промышленность СНГ изготовляет СК мощностью 5000-160000 кВА.

СК на промышленных предприятиях применяют очень редко: на ГПП, имеющих районное значение или на крупных электропечных установках. Этот способ целесообразен при больших мощностях компенсирующих устройств.

К достоинствам СК как источников реактивной мощности относятся:

а) положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, что при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность СК увеличивается;

б) возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой реактивной мощности, что повышает устойчивость режимов работы системы и улучшает режимные параметры сети;

в) достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток СК во время КЗ.

К недостаткам СК относятся:

а) более высокая стоимость;

б) сложный пуск и усложнение эксплуатации;

в) значительный шум во время работы;

г) относительно высокие удельные потери активной мощности (11-30 ).

Потери активной мощности на генерацию реактивной мощности определяются по тем же формулам, что и для СД

.

Статические конденсаторы

Основным средством компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях являются батареи силовых конденсаторов (БК). Статические конденсаторные установки изготовляют из определенного числа конденсаторов, которые в зависимости от рабочего напряжения и расчетной реактивной мощности соединяют между собой параллельно, последовательно или параллельно-последовательно.

Компенсация реактивной мощности электроустановок промышленных предприятий осуществляется с помощью статических конденсаторов, включаемых обычно параллельно ЭП (поперечная компенсация). В отдельных случаях при резкопеременной нагрузке сетей, например, при питании дуговых печей, сварочных установок и др., может оказаться целесообразным последовательное включение конденсаторов (продольная компенсация).

Размещение БК в сетях до 1000 В и выше должно удовлетворять условию наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок. При этом возможна компенсация:

а) индивидуальная – с размещением БК непосредственно у ЭП. В этом случае от реактивных токов разгружается вся сеть СЭС;

б) групповая – с размещением БК у силовых шкафов и шинопроводов в цехах. В этом случае сеть до ЭП не разгружается от реактивных токов;

в) централизованная – с подключением БК на шины 0,38; 6; 10 кВ п/ст, при этом:

1) U=0,38 кВ – от реактивных токов разгружаются трансформаторы п/ст, но не питающая и распределительная сеть низшего напряжения;

2) U=6-10 кВ – от реактивных токов разгружаются только сети энергосистемы, а трансформаторы п/ст не разгружаются.

Достоинства БК:

а) простота конструкции;

б) относительно невысокая стоимость;

в) недефицитность материалов;

г) малые собственные удельные потери активной мощности (DР_БК=2¸4,5 кВт/Мвар).

Недостатки БК:

а) отсутствие плавного автоматического регулирования отдаваемой в сеть реактивной мощности (применяется только ступенчатое регулирование);

б) пожароопасность;

в) наличие остаточного заряда;

г) опасность перегрузки токами высших гармоник;

д) выдаваемая реактивная мощность зависит от квадрата напряжения: Q=U².

В схемах БК предусматриваются специальные активные или индуктивные сопротивления, которые подключают параллельно конденсаторам. Эти сопротивления необходимы для разряда конденсаторов после их отключения, так как естественный саморазряд происходит медленно (3-5 мин).

Разрядное сопротивление должно отключатся после каждого отключения БК от сети. Поэтому к БК должно быть постоянно и непосредственно (без промежуточных разъединителей, рубильников и предохранителей) подключено разрядное сопротивление:

Разрядное сопротивление можно рассчитать по формуле

r_раз=15(U_ф²/Q)×10⁶, Ом,

где U_ф – фазное напряжение, кВ;

Q – мощность батареи, квар,

Пример – При U_ф=0,4 кВ и Q=300 квар, r_раз=8 Ом.