Параметры электропотребления и расчетные коэффициенты

Расчетная величина электрических нагрузок Р определяет техниче­ские решения, диктуя затраты на изготовление электротехнических изделии, на создание и развитие энергосистем, на построение и функцио­нирование объектов электрики. Ожидаемые Р_р определяют электроснаб­жение всех уровней. Опыт показал, что Р_р систематически завышаются и что проблемы расчета Р_р не могут быть решены в рамках существую­щих теорий. Уже в 60-е годы обнаружилось, что применение указаний, основанных на методе упорядоченных диаграмм, не обеспечило допу­стимую погрешность расчетов ± 10%. Внедрение в черной металлургии (1976 г.) системной оценки количественно определило масштабы явле­ния: ошибки Р_р составляют 50—200%, фактическая загрузка силовых трансформаторов - 25—40%, распределительных сетей - 20—30%, ко­эффициент спроса находится на уровне 0,2—0,25%. Такое положение характерно и для других отраслей.

Отсутствие анализа исходных данных (известных к моменту приня­тия решения по схеме электроснабжения при проектировании, во вре­мя эксплуатации и др.), отрыв расчета от технологических, временных и человеческих факторов, нечеткость представления, для каких целей, стадий проектирования и уровней системы электроснабжения выпол­няется расчет, порождают путаницу в терминологии, проявляющуюся в применении понятий, имеющих разный физический смысл, но одина­ковое математическое представление. Понятие Р_р многозначно и при­меняется, во-первых, как связанное с физическим процессом проте­кания электрического тока, во-вторых, для нормирования, оплаты и других целей, связанных с управлением электропотреблением.

Исторически, со времен Вольта и Ома, греющее действие электриче­ского тока поставило вопрос о выборе сечения проводников. И сей­час выбор элементов электрической сети из условий нагрева является одним из основных этапов проектирования. Максимальная температура перегрева проводника с постоянной времени нагрева Т_н в общем слу­чае определяется уравнением теплового баланса, решаемым до конеч­ного результата только для неизменного во времени t графика нагруз­ки I(t) = const, т. е. для электроприемников, имеющих постоянную во времени нагрузку, как на рис. 2.1.

Для большинства приемников нагрузка во времени изменяется. На линиях 6УР, секциях РУ 5УР и 4УР, линиях и трансформаторах, свя­зывающих 5УР, 4УР, ЗУР, нагрузка меняется непрерывно (исчезающие мала вероятность сохранения нагрузки для двух последовательных интервалов D t, сравнимых с часто применяемым интервалом дискрети­зации, равным 3 мин). Закон изменения нагрузки, например на протя­жении года, достаточно сложен. Подключение, соединение электропри­емников в группу на распределительном щите или на подстанции порож-

дает случайный характер нагрузки, где уравнение теплового баланса, в том числе (2.3), неразрешимо из-за математических трудностей.

Поэтому выбор сечения проводника по нагреву производят не по максимальной температуре перегрева, а по расчетной токовой нагруз­ке I_p, которая определяется на основании принципа максимума сред­ней нагрузки, предложенного Н. В. Копытовым и теоретически обосно­ванного Г. М. Каяловым:

0 £ t £ T - q, (2.4)

где q - длительность интервала осреднения, принимаемая для графиков нагрузки, практически неизменных во времени, равной q =ЗT_Н (во всех остальных случаях q < ЗT_Н). Для распространенных сечений F постоян­ная времени нагрева T_н равна:

Для оценки нагрева проводников правильнее использовать закон Джоуля-Ленца и вести расчет по максимуму среднеквадратичного (эффективного) тока для каждого изменения за время dt. Расчетный ток I_p, равный максимуму среднего тока, есть приближение, обеспечи­вающее инженерную точность при построении схемы электроснабжения. В простейшем случае, когда нагрузка постоянна, принимают I = const = I_p. При переменной нагрузке, когда график чаще всего слу­чайный, использование выражения (2.4) приводит к эквивалентному по эффектам нагрева расчетному току I который вызывает в провод­нике или такой же максимальный нагрев над окружающей температу­рой, нрти тот же тепловой износ изоляции, что и заданная переменная нагрузка I(t). Ток I_p обычно определяют по расчетной активной нагрузке

(2.5)

где U_ном — номинальное напряжение; cosj_р — расчетный коэффициент мощности.

В качестве расчетной нагрузки применяют среднюю нагрузку по активной мощности

0 £ t £ T - q (2.6)

за интервал реализации продолжительностью Т, который связывают с (постоянной времени нагрева Т_н. Условно принимают Т_н =10 мин,

тогда q = 30 мин независимо от сечения проводника, что и приводит к понятию получасового максимума Р_тах. Использование для поня­тия расчетного максимума Р_р значения получасового максимума Р_max ведет к завышению сечений проводников, мощностей трансфор­маторов и др. Существует тенденция, усиливаемая внедрением ЭВМ и созданием информационных банков знаний, к уменьшению интервала осреднения, например до 1—5 мин при управлении электропотреблением, и к увеличению до 1 ч и более, например при оценке работы инерцион­ных агрегатов (часовая производительность, удельные нормы).

В зависимости от конструкции, условий прокладки для каждого проводника указывается неизменный во времени нормируемый (но­минальный) ток I_ном, длительно допустимый по его перегреву. На­пример, по ПУЭ допустимый ток для трехжильных кабелей напряже­нием 10 кВ сечением токопроводящей жилы 185 мм² с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной изоляцией в свинцовой или алюминие­вой оболочке, прокладываемых в земле, составляет 310 А. Ток принят из расчета прокладки в траншее на глубине 0,7—1 м не более одного кабеля при температуре земли + 15 °С, с удельным сопротивлением зем­ли 120 см - К/Вт и с допустимой температурой жилы кабеля +60 °С. При прокладке нескольких кабелей рядом в зависимости от расстоя­ния между ними и от их количества вводится понижающий коэффи­циент до 0,75. По току I выбирают ближайшее сечение, номинальный ток которого с учетом всех расчетных коэффициентов больше (I_ном ³ I_p)

Таким образом, при проверке на нагрев проводников любого назна­чения принимается получасовой максимум тока I _тах, наибольший из средних получасовых токов данного элемента. Выбор сечений провод­ников в отношении предельно допустимого нагрева производится с учетом не только нормальных, но и послеаварийных режимов, а также режимов в период ремонта и возможных неравномерностей распреде­ления токов между линиями, секциями шин и т. д.

Кроме определения сечений элементов системы электроснабжения по нагреву максимальная нагрузка Р_тах необходима для определения потерь и отклонений напряжения, максимальных потерь мощности сетях, для выбора элементов электрических сетей по экономической плотности тока, для определения тока трогания релейной защиты, для выбора плавких предохранителей и уставок выключателей, для проверки самозапуска электродвигателей, колебаний напряжения в сетях и в других случаях, когда необходимо рассчитать элементы электриче­ской сети или их режимы, опираясь в пределе на законы Максвелла.

Наряду с использованием получасового максимума активной мощ­ности Р_тах в этом классическом смысле это понятие стало с 70-х го­дов применяться к максимальной 30-минутной мощности, заявляе­мой промышленными предприятиями в договорах с энергосистемами.

на 6УР, а с 80-х годов — к лимиту электрической мощности — предель­но допустимому (разрешаемому энергосистемой) значению получасо­вой активной мощности предприятия в часы максимальных нагрузок энергосистемы (часы прохождения максимума в энергосистеме). Для простоты далее будем рассматривать идеальный случай, когда расчет­ная (проектная или иная) максимальная нагрузка совпадает с фактиче­ской максимальной, замеренной каким-либо способом, и равна мак­симальной заявленной на 6УР (на уровне предприятия): Р_р = Р_тах = Р_ф.

Заявленный максимум не передается по конкретному проводу, не трансформируется одним трансформатором, не отключается одним выключателем: физически нет тока, соответствующего расчетной мощно­сти Р_р и определяемого из (2.5). Положение усложняется, если учиты­вать: максимальную электрическую нагрузку в часы утреннего P_{max у} и вечернего Р_{тах в} максимумов нагрузки; ночной максимум; мак­симальную нагрузку, превышающую заявленную и лимит, которая мо­жет быть разрешена, если есть резерв в энергосистеме; максимальную нагрузку, соответствующую проектной технологической производительности; максимальную нагрузку, согласованную энергосистемой для подключения; перспективную максимальную проектную нагруз­ку; максимальную нагрузку при осуществлении регулирования ре­жима электропотребления (управление потребителями-регуляторами) и др.

Таким образом, при решении вопросов электроснабжения определяющей величиной является расчетная электрическая нагрузка, которая принимается равной получасовому максимуму Р_тах. Этот максимум может находиться по данным конкретных электроприемников и при­меняться для расчетов электрических сетей и их элементов (опираясь на теоретические основы электротехники). Но он может и рассчитывать­ся с учетом системных свойств предприятия, устойчивости развития и устойчивости структуры. Такой Р_тах нужен при выборе схем элект­роснабжения предприятий, производств и цехов, определении их объемов электропотребления, решении вопросов присоединения к энергосистеме, определении основных групп электрооборудования, капитальных вложений, штатов.

Рост числа элементов по уровням сверху вниз приводит к тому, что расчеты, которые жестко определяют каждый элемент системы электроснабжения, возможны лишь при многих допущениях для 6УР и 5УР. Для более низких уровней системы электроснабжения возможны лишь локальные расчеты (для данной секции РП, цеховой ТП, распределительного шкафа).

Как физическая величина электрическая нагрузка есть электрическая мощность P(t). Если электрическая энергия А, совершая работу, расходуется равномерно в течение времени t, то Р = A/t. Изменение

электрических нагрузок во времени представляют таблицами (вре­менными рядами), указанием нагрузок для характерных режимов, например периодов расплавления, окисления и рафинирования дуго­вой сталеплавильной печи, или определенного временного интервала: получаса, часа, смены, суток, недели, месяца, года. Наиболее полно нагрузки во времени изображаются графически (рис. 2.4),

Различаются графики нагрузки: 1) индивидуальные - графики электрических приемников; 2) групповые - слагаемые из индивиду­альных графиков с учетом взаимозависимости нагрузок по условиям технологии. Групповые графики могут применяться при выборе обо­рудования и проводников, питающих группы электроприемников (главным образом для 2УР); 3) потребителей в целом, питающихся 01 6УР - 4УР, для которых учет всего многообразия индивидуальных графиков практически счетного множества электроприемников делает невозможным применение прямых методов расчета (даже при наличии всех графиков к моменту принятия технического решения).

Для графиков важен интервал осреднения Dt, сумма которых опре­деляет 30-минутный интервал, принимаемый за расчетное время. Для индивидуальных графиков Dt должно соответствовать физике изучаемого процесса. Например, для рельефных сварочных машин Dt долж­но быть весьма малым из-за резкопеременного режима работы, отобра­жаемого графиком нагрузки, который приведен на рис. 2.5, где время импульса сварки t₁ = 0,04 ¸ 0,12 с; время паузы между импульсам

t₂ = 0,02 ¸ 0,2 с, число импульсов 2-10, время замены деталей t₀ = 4 ¸ 200с, время цикла t_ц.

Регистрация ординат графиков нагрузки группы электроприемни­ков, подключенных к какому-либо коммутационному аппарату 2УР, и графиков потребителей 6УР-4УР существующими регистрирующими приборами может осуществляться с любым интервалом осреднения, например 3 мин (рис. 2.6). При измерении на одном электрическом присоединении с интервалом ДГ = 3 мин общее число регистрируемых точек за сутки составит 24 - 60/3 = 480, всего за год 175 200. Такое количество измерений затрудняет использование графика на рис. 2.6 на большом временном интервале и для большого числа присоединений. Кроме технических трудностей съема информации, суммирования ре­зультатов, регистрации и обработки существуют и экономические огра­ничения (затраты на аппаратуру, затраты труда).

Современная техника позволяет осциллографировать электрические величины для наблюдения коротких импульсов и регистрации интерва­лов, например меньших полупериода частоты переменного тока. Но

эта точность при измерении нагрузок оказывается неиспользуемой из-за индуктивных и емкостных сопротивлений электрической сети, датчи­ков и преобразователей, соединительных проводов. Любой график, приборно определенный или теоретически рассчитанный, имеет по­грешность. Переход к большим интервалам, например от интервалов по рис. 2.6 к получасовым интервалам, увеличивает погрешность. Точ­ность расчета электрических нагрузок, опирающаяся на графики, не может быть выше априорной точности графиков.

Если индивидуальные графики нагрузки электроприемников извест­ны и возникает необходимость аналитического формирования группо­вых графиков нагрузки, то применимы автокорреляционная функция индивидуального графика нагрузки kp(t), рассматриваемого как реа­лизация стационарного случайного процесса,

и взаимно корреляционные функции всех пар индивидуальных графи­ков

где p(t), p_v(t), P_s (t) - индивидуальные графики нагрузки; Р_ср, Р_{v ср}, P_{s c p} - средние значения нагрузки (средняя мощность) для этих графиков.

Среднее значение нагрузки за время цикла

Площадь под ломаной графика нагрузки потребителя на рис. 2.6 есть энергия Л. Выделим интервал t_0-30 за первые 30 мин. Тогда

где p(t) — неизвестное фактическое изменение мощности во времени; P_{сp i} — средняя мощность за i-й интервал осреднения (Dt = 3 мин);

Р_max — расчетный получасовой максимум нагрузки, соответствующий выражениям (2.4) и (2.6): Р_тах= Р_р.

Чтобы получить Р_тах, достаточно, используя равенство (2.10), снять показания счетчика электроэнергии, пересчитать их в киловатт-часы и разделить на 0,5 ч. Отклонение от Р_тах учитывается счетчиком, опре­деляющим среднюю нагрузку Р_ср за интервал, например t_3-6 и t_15-16 Суммирование, проводимое счетчиком за 30 мин, упрощает допущения о значении и вероятности изменения нагрузки за Dt.

Из рис. 2.6 очевидно, что величина Р_тах зависит от начала отсчета. Если определить Р_тах в интервале t₁₅_₄₅, то получим DР = + 9. Технически возможно рассчитывать Р_тах за 30-минутный интервал, начинающийся с любого момента. Возникает вопрос о цели таких измерений и их экономической целесообразности, которая оправдывается при регулировании электропотребления предприятий и при создании систем управления электрическими нагрузками. Пока, как правило, измерение производится в фиксированное время, совпадающее с началом часа. Усредненные по (2.10) максимумы фиксируются, образуя суточный график (рис. 2.7), состоящий из 48 точек.

На суточном графике выделяют утренний Р_{тах у} и вечерний Р_{тах в} (обычно больший) максимумы и ночной провал, когда нагрузка опуска-

ется до минимума P_min. Часы прохождения утреннего и вечернего максимумов задаются энергосистемой. Наибольший из Р_{max y} или P_{max в} принимается за суточный максимум (при регулировании максимум может не совпадать с этими значениями) и наносится на годо­вой (месячный, квартальный) график нагрузки. Наибольший из су­точных максимумов в течение квартала должен приниматься за заяв­ленный Р_зтах и оплачиваться. В этом случае фактический расчетный и заявленный максимумы будут совпадать: Р_фmax = Р_p = Р_зmax =Р_max. Аналогично (2.9) или (2.10) определяется среднесуточная мощность: Р_с.сут = (1/48) åР_сi, где Р_сi - средняя нагрузка на полу­часовой интервал (см. рис. 2.7), или

Графики наглядно характеризуют электрическую нагрузку (и мно­гие другие стороны работы предприятия, например ритмичность, ис­пользование оборудования по сменам). Но в инженерной практике опе­рировать с графиками неудобно, и поэтому при расчетах электрических нагрузок, согласовании технических условий на электроснабжение пред­приятий, лимитировании и управлении электропотреблением опери­руют показателями, применение которых достаточно практически для всех расчетов.

Выражения (2.10) и (2.11) дают основания для введения ряда пока­зателей. Особенность аппаратурного измерения величин Р и А заклю­чается в том, что измерение мощности сводится к измерению напряжения и тока [см. (2.5)]. Фиксирование этой мощности во времени дает площадь А = РТ — электропотребление: расход электроэнергии, реги­стрируемый счетчиком.

Таким образом, для действующих предприятий на высших уров­нях системы электроснабжения 6УР, 5УР, 4УР всегда имеется достовер­ная величина - расход электроэнергии за отчетный период: смену, сут­ки, неделю, месяц, квартал, год. Годовая отчетность для 6УР есть го­сударственная статистическая отчетность, отчетность для 5УР (частич­но и для 4УР) - ведомственная, которая может быть положена в осно­ву отраслевых информационных банков по удельным и общим рас­ходам электроэнергии.

Используем наиболее известную и достоверную величину А. Если площадь А = const и А = Р_СТ, где Т — число часов в сутках, в году (T_г = 8760 ч) и т. д., то при работе предприятий с нагрузкой, равной Р_тах, это же количество электроэнергии А было бы израсходовано за число часов T_м, называемое числом часов использования максимума (из рис. 2.7 Т_м = 17 ч; Т = 24 ч) или продолжительностью исполь­зования максимальной нагрузки. Для годового электропотребления

6УР, 5УР, 4'Р можно записать

Из всех интервалов, усредненных на Dt = 30 мин, нагрузка с 21 ч до 21 ч 30 мин является максимальной (рис. 2.7). Именно эта нагруз­ка, являясь средней за некоторый интервал времени, иллюстрирует по­ложение, согласно которому максимальная нагрузка Р_тах, принимае­мая при расчете, есть максимальная из средних нагрузок. Это положе­ние распространяется на любой интервал, в том числе на квартал, год. Развитие вычислительной техники и потребности в регулировании элект­ропотребления требуют уменьшения временного интервала (в идеале — ежесуточная заявка Р_тах, реализован переход на заявку Р_тах по ме­сяцам).

Определим коэффициент максимума по активной мощности как отношение максимальной нагрузки на интервале Т к средней:

где средняя нагрузка Р_с теоретически определяемая (2.9), практиче­ски находится как отношение расхода электроэнергии А к продолжи­тельности временного интервала (2.11). Например, среднегодовая на­грузка предприятия (производства, цеха)

Назовем установленной мощностью электроприемника Р_у его номи­нальную мощность, указанную изготовителем электротехнического устройства (паспортная мощность, указанная в документации). Установленным назовем любой электроприемник, подключенный к электри­ческой сети, работающий или неработающий, но могущий быть вклю­ченным или отключенным в любое время по технологическим требова­ниям, условиям безопасности, ремонтным соображениям. Установлен­ная мощность дня любого присоединения и на любом уровне системы электроснабжения равна сумме установленных (номинальных) мощно­стей без каких-либо поправочных коэффициентов. В случае, например, установки трех насосов водоотлива с электроприводом, таких, что в нормальном режиме один обеспечивает удаление воды, второй включа­ется взамен или аварийно, третий должен быть в готовом состояний к периоду интенсивного поступления воды (все три насоса могут быть в любом из трех состояний), установленная мощность двигателей насосов будет

При этом исключается неопределенность, которая вносилась исклю­чением из (2.15) всех "заведомо резервных потребителей", простаи­вавших в дни производства записи (замера нагрузки) по причинам, не свойственным условиям нормальной эксплуатации.

В расчетах часто используется номинальная (паспортная) мощность электродвигателя Р_ном — мощность, развиваемая на валу при номи­нальном напряжении. Это значит, что на зажимах электродвигателя и далее на 2УР и выше потребуется большая мощность, определяемая КПД электродвигателя и потерями в сети, которые изменяются при изменении загрузки электродвигателя и напряжения. Однако, несмотря на вносимую погрешность в расчетах используют паспортные данные электроприемников (Р_ном, I_ном, cos j ).

Определим коэффициент использования по активной мощности как отношение средней мощности к установленной:

коэффициент спроса по активной мощности — как отношение макси­мальной нагрузки к установленной:

Степень неравномерности графика нагрузки характеризуется коэффициентом заполнения графика нагрузки по активной мощности

При расчете электрических нагрузок для 6УР полезно сравнить для предприятий и цехов-аналогов установленную мощность электропри­емников в целом Р_у (с учетом освещения и электрозатрат на техноло­гию: сварку, электронагрев, электроплавку и др.) с установленной мощностью электродвигателей Р_ДВ = р_ср Д, учитываемую коэффициен­том технологической нагрузки

Для электроприемников 1УР и их групп 2УР (ЗУР), где сохраняет физический смысл ток (2.4) как протекающий по конкретному провод-

нику и отключаемый конкретным аппаратом, в некоторых случаях (например, при определении потерь мощности в проводнике, которые пропорциональны квадрату нагрузки) целесообразно введение понятия эффективной нагрузки р_э как суммы квадратов ординат графика P(t) (рис. 2.7), или в интегральной форме

где пределы интегрирования могут быть взяты не за цикл, а за сутки, год. Коэффициент формы индивидуального или группового графика по активной мощности

Для 1УР и 2УР (ЗУР) имеет физический смысл коэффициент вклю­чения как отношение времени включения t_в электроприемника ко времени цикла k_в = t_в/t_ц или как отношение номинальной мощности группы включенных электроприемников к установленной мощности группы

Групповой коэффициент включение k_b может определяться также как средневзвешенное (по номинальной активной мощности) значение коэффициентов включения всех приемников группы:

Коэффициент загрузки электроприемника или группы по активном мощности есть отношение его средней загрузки за время вклю­чения в течение рассматриваемого времени к номинальной мощности:

Отличие (2.24) от (2.16) заключается в том, что К_и учитывает за­грузку работающих и наличие неработающих электроприемников, т. е. К_и = К_в К_з (при К_в =1; К_и = К_з). Заметим, что k_c = K_MK_в K₃ и что коэффициенты К_ф, К _в, К_з для высших уровней системы электроснаб­жения теряют физический смысл и практически неопределимы.

По рассчитанной величине Р_р = Р_тах определяется максимальная реактивная мощность нагрузки

и полная мощность

Поиск по сайту: