При проектировании систем электроснабжения выполняется ряд расчетов, результаты которых позволяют выбрать оборудование подстанций, сечение и материал проводников, наиболее экономичные способы передачи электроэнергии, конфигурацию сети и т.п. Определение расчетных электрических нагрузок и учет изменения их во времени в этом случае является исходным материалом для всего последующего проектирования. При проектировании и эксплуатации электрических сетей промышленных предприятий приходится иметь дело с различными видами их нагрузок: по активной мощности P, по реактивной мощности Q и по току.
Кривая изменения активной, реактивной и токовой нагрузки во времени, называется графиком нагрузки по активной, реактивной мощностям и току соответственно.
Графики нагрузок дают возможность определить некоторые показатели, необходимые при расчетах нагрузок, и более рационально выполнить систему электроснабжения.
Назначение и классификация графиков нагрузок
Электрическая нагрузка характеризует потребление электрической энергии отдельными приемниками, группой приемников в цехе, цехом и заводом в целом. При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий основными являются три вида нагрузок:
а) активная мощность P;
б) реактивная мощность Q;
в) ток I.
В расчетах систем электроснабжения промышленных предприятий используются следующие значения электрических нагрузок:
а) средняя нагрузка за наиболее загруженную смену – для определения расчетной нагрузки и расхода электроэнергии;
б) расчетный получасовой максимум активной и реактивной мощности – для выбора элементов систем электроснабжения по нагреву, отклонению напряжения и экономическим соображениям;
в) пиковый ток – для определения колебаний напряжения, выбора устройств защиты и их уставок.
Электрическая нагрузка может наблюдаться визуально по измерительным приборам. Регистрировать изменения нагрузки во времени можно самопишущим прибором (рис.1). В условиях эксплуатации изменение нагрузки по активной и реактивной мощности во времени записывают, как правило, в виде ступенчатой кривой, по показаниям счётчиков активной и реактивной энергии, снятым через одинаковые интервалы времени tи (рис. 2).
Рис.1. График нагрузок по записи регистрирующих приборов Рис.2. График нагрузки по показаниям
счетчика активной энергии
Графики нагрузок подразделяют на индивидуальные и групповые.
Индивидуальные графики (p(t), q(t), i(t)), необходимы для определения нагрузок мощных приемников электроэнергии (электрические печи, преобразовательные агрегаты главных приводов прокатных станов и др.).
При проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий используются, как правило, групповые графики нагрузок (от графиков нагрузок нескольких приемников электроэнергии до графиков предприятия в целом). Графики нагрузок всего промышленного предприятия дают возможность определить потребление активной и реактивной энергии предприятием, правильно и рационально выбрать питающие предприятие источники тока, а также выполнить наиболее рациональную схему электроснабжения.
По продолжительности различают суточные и годовые графики нагрузок предприятия. Каждая отрасль промышленности имеет свой характерный график нагрузок, определяемый технологическим процессом производства. Групповой график нагрузок слагается из индивидуальных графиков нагрузок приемников, входящих в данную группу. Степень регулярности групповых графиков определяется типами индивидуальных графиков и взаимосвязью нагрузок отдельных приёмников по технологическому режиму работы.
Основные коэффициенты, применяемые при расчете электрических нагрузок
Коэффициент использования – основной показатель для расчета нагрузки – это отношение средней активной мощности отдельного приемника (или группы их) к её номинальному значению.
| (1) |
Значения коэффициента использования должны быть отнесены к тому же периоду времени (циклу, году, смене), к которому отнесены мощности, на основе которых этот коэффициент вычисляется.
Рис.3. Индивидуальный график активных нагрузок
Для графика активных нагрузок (рис.3) средний коэффициент использования активной мощности приемника за смену может быть определен из выражения (2):
| (2) |
где Эа – энергия, потребляемая приемником за смену; Эа,возм – энергия, которая могла бы быть потреблена приемником за смену при номинальной загрузке его в течение всей смены.
Коэффициентом включения приемника kВ – называется отношение продолжительности включения приемника в цикле tВ ко всей продолжительности цикла tц. Время включения приемника за цикл складывается из времени работы tри времени холостого хода tх:
| (3) |
Коэффициентом включения группы приемников, или групповым коэффициентом включения KВ, называется средневзвешенное (по номинальной активной мощности) значение коэффициентов включения всех приемников, входящих в группу, определяемое по формуле:
| (4) |
Коэффициентом загрузки kз,а приемника по активной мощности называется отношение фактически потребляемой им средней активной мощности PС,В (за время включения tВ в течение времени цикла tц) к его номинальной мощности:
| (5) |
Групповым коэффициентом загрузки по активной мощности называется отношение группового коэффициента использования к групповому коэффициенту включения:
| (6) |
Коэффициентом формы индивидуального или группового графика нагрузок называется отношение среднеквадратичного тока (или среднеквадратичной полной мощности) приёмника или группы приёмников за определенный период времени к среднему значению его за тот же период времени:
| (7) |
Коэффициентом максимума активной мощности называется отношение расчетной активной мощности к средней нагрузке за исследуемый период времени. Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены.
| (8) |
Коэффициентом спроса по активной мощности называется отношение расчетной (в условиях проектирования) или потребляемой Pn (в условиях эксплуатации) активной мощности к номинальной (установленной) активной мощности группы приемников:
| (9) |
Коэффициентом заполнения графика нагрузок – называется отношение средней активной мощности к максимальной за исследуемый период времени (обычно PM=P(30)). Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены.
| (10) |
Коэффициентом разновременности максимума активных нагрузок называется отношение суммарного расчётного максимума активной мощности узла системы электроснабжения к сумме расчётных максимумов активной мощности отдельных групп приемников, входящих в данный узел системы электроснабжения. Этот коэффициент характеризует смещение максимума нагрузок отдельных групп приемников во времени, что вызывает снижение суммарного максимума узла по сравнению с суммой максимумов отдельных групп.
| (11) |
Специфические особенности потоков мощности на составляющих токов и напряжений, отличных от прямой последовательности основной частоты. Особенности работы приборов учета электроэнергии в этих условиях.
Отклонение частоты. Частота ƒ является общесистемным параметром режима ЭЭС и определяется балансом активной мощности. При возникновении дефицита генерируемой мощности в системе происходит снижение частоты до такого значения, при котором устанавливается новый баланс генерируемой и потребляемой мощности. При избытке генерируемой мощности, наоборот, частота повышается.
Частота переменного тока в электроэнергетической системе определяется частотой вращения генераторов электростанций. Номинальное значение частоты 50 Гц (в некоторых странах 60 Гц). В каждый момент времени в ЭЭС должно быть обеспечено равенство между мощностью генераторов электростанций и мощностью, потребляемой нагрузкой, с учетом потерь мощности в элементах электроэнергетической системы. Регулирование частоты в ЭЭС возможно только при наличии резерва активной мощности на электростанциях. Ввод резервной активной мощности возможен в ЭЭС за счет дополнительного расхода энергоносителя первичного двигателя (турбины) генератора.
Качество электроэнергии по частоте характеризуется отклонением частоты ∆ƒ:
где ƒ ном - номинальное значение частоты, Гц;
ƒ у - фактическое установившееся (измеренное) значение частоты, Гц.
Отклонения частоты и напряжения. Отклонением частоты является усреднённая за 10 минут разность между фактической величиной основной частоты и её номинальной величиной. При этом допускаются:
В нормальном режиме работы отклонения не более 0,1 Гц;
- кратковременные отклонения не более 0,2 Гц.
Отклонением напряжения считается разность между фактической величиной напряжения и её номинальной величиной. Допускаются следующие отклонения напряжения при нормальной работе сети:
На зажимах аппаратов и электродвигателей для их управления и пуска от -5 до +10%;
- на зажимах аппаратов рабочего освещения от -2,5 до +5%;
- на зажимах других электроприёмников не более 5%.
При этом, в после аварийных режимах понижение напряжения дополнительно допускается не более 5%. Основными причинами отклонений напряжения являются:
Изменения режимов работы энергосистемы и электрических приёмников;
- большие значения индуктивных сопротивлений линий 6-10 кВ.
В целях поддержания данного параметра в допустимых пределах используются следующие методы:
Регулирование напряжения на отходящих линиях
- регулирование напряжения на шинах подстанций;
- совместное регулирование при одновременном снижении (повышении) напряжения и на ПС, и на линиях;
- дополнительное регулирование, когда требуется локальное изменение напряжения у конкретного потребителя;
- регулирование напряжения за счёт изменения схем электроснабжения.
Колебания частоты и напряжения. Это разность между наибольшей и наименьшей величиной основной частоты при достаточно быстром изменении параметров сети со скоростью изменения частоты не менее 0,2 Гц/сек. Колебания напряжения можно оценить при помощи следующих показателей:
1. Размаха изменения напряжения.
2. Частоты изменения напряжения.
3. Интервала между изменений напряжения.
Такого рода колебания возможны при работе приёмников резко меняющих свою нагрузку (сварочных машин, дуговых электропечей, прокатных электродвигателей). В итоге, в электрической сети появляются резкие толчки мощности потребляемой потребителем, приводящие к значительным изменениям напряжения сети.
При этом ухудшается работа обычных потребителей, подключённых к данной сети. Для сглаживания колебания напряжения используются следующие устройства:
Быстродействующий синхронный компенсатор;
- синхронный двигатель;
- статический источник реактивной мощности.
Коэффициент несимметрии напряжения основной частоты.Несимметрия напряжений – это неравенство линейных и фазных напряжений по амплитуде и углу сдвига между ними.
В данном случае нормируемый показатель несимметрии – это коэффициент обратной последовательности напряжения, который равен отношению напряжения обратной последовательности к номинальному линейному напряжению. Сегодня данный коэффициент не превышает 2%.
Коэффициент несинусоидальности формы кривой напряжения, который на зажимах электрических приёмников не должен превышать 5%.
Причины возникновения и следствия. Полное понимание показателей качества электроэнергии с обязательным анализом причин и следствий от их изменения позволяет современным энергосистемам удерживать их в допустимых пределах.
В итоге потребителям поступает электрическая энергия полностью соответствующая тем параметрам, которые требуются для продолжения нормального производственного процесса. Стоит отметить, что и сегодня энергетики продолжают искать средства и методики для поддержания параметров сети в допустимых пределах.
Значительное влияние отклонение частоты напряжения от номинального сказывается на режиме работы электродвигателя, вызывая изменение скорости вращения его ротора, что приводит к снижению его производительности, также возникают значительные потери в стали двигателя, что приводит к его дополнительному нагреву и старению изоляции. Вследствие применения мер для поддержания значения частоты на уровне номинального значения может быть использована система АЧР, что приведет к отключению части не важных потребителей электроэнергии, что негативно скажется на жизни населения. Сильное влияние также проявляется на электронной технике, вызывая не корректную работу или полный отказ.
Частота в установившемся режиме является общей для ЕЭС. Изменения частоты обусловлены изменениями суммарной нагрузки и характеристиками регуляторов частоты вращения турбин. В установившемся режиме работы ЭЭС изменения частоты содержат несколько гармонических составляющих. Это объясняется тем, что на периодические изменения суммарной- нагрузки с основным периодом, равным 24 ч, накладываются случайные их изменения с периодами, исчисляемыми минутами и секундами. Большие мощности ЭЭС и современные системы регулирования частоты и мощности привели к снижению амплитуд минутных и секундных изменений частоты, выраженных слабо. Они, как правило, не превышают 0,1 Гц и их влиянием на работу электроприемников можно пренебречь. Большие отклонения частоты возникают в результате медленного регулярного изменения нагрузки при недостаточном резерве активной мощности. Изменения частоту, превышающие 0,2 Гц, существенно влияют на технико-экономические результаты работы электроприемников. Поэтому допустимые (с вероятностью 0,95) отклонения частоты равны ±0,2 Гц, а предельно допустимые отклонения — ±1,0 Гц.
Отклонение частоты от номинальной вызывает возникновение электромагнитной и технологической составляющих ущерба.
Электромагнитная составляющая ущерба приводит к увеличению расхода энергии на передачу. Считают, что снижение частоты на 1% сопровождается увеличением расхода энергии на передачу на 2%.
Технологическая составляющая вызывает снижение производительности технологического оборудования, требующего дополнительного времени работы предприятий. В ряде случаев предприятия вынуждены компенсировать этот ущерб применением более производительного оборудования (насосов, вентиляторов), потребляющего при нормальной частоте избыточное количество электроэнергии.
Поддержание нормальной частоты сводится к обеспечению необходимых резервов мощности в ЭЭС.