1.2. Режимные нагрузки потребителей [1]

Генерация электрической энергии должна соответствовать ее суммарному потреблению. Электрическая нагрузка меняется в течение суток и зависит от вида подключаемых потребителей.

В электрической системе города нагрузки обусловлены потреблением электроэнергии на предприятиях, в общественных зданиях и сооружениях, и отдельными потребителями в квартирах жилых домов. Часто в качестве потребителей обобщенной нагрузки, например в жилищно-коммунальном хозяйстве, рассматриваются отдельные квартиры, насосное и вентиляторное оборудование, осветительные приборы. Потребители различаются по мощности и по характеру нагрузки входящих в их состав электроприемников. При определении общего потребления электрической энергии нагрузки отдельных потребителей суммируются.

Выбор сетевого энергетического оборудования осуществляется с учетом электрических нагрузок. Статистическая обработка значений электропотребления является основой определения расчетных нормативных показателей. Стремление к достижению экономически и технически оправданных нормативных показателей способствует эффективному потреблению электроэнергии. В настоящее время для определения расчетных нагрузок потребителей используются удельные расчетные показатели потребления электрической энергии.

Активная и реактивная мощности. Выше рассматривались нагрузка в трехфазной цепи и использование ее для совершения полезной механической работы, получения тепловой энергии и энергии излучения (света), так называемой «активной энергии». В то же время часть знакопеременной электрической мощности, называемой реактивной, участвует в колебательных процессах, связанных с наличием в сети помимо элементов активного сопротивления элементов с электрической емкостью и индуктивностью.

Реактивная мощность — величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи переменного тока.

Существенную часть оборудования электрической сети переменного тока составляют устройства, имеющие значительную индуктивность: асинхронные двигатели, трансформаторы, индукционные электрические печи, сварочные трансформаторы и др. Кроме того, отдельные элементы оборудования сети и ее проводники характеризуются электрической емкостью.

При синусоидальных колебаниях тока и напряжения электрическая энергия запасается в индуктивной катушке или электрическом поле конденсатора, а затем вновь возвращается в сеть. Колебания напряжения и тока в электротехнических устройствах требуют затрат энергии на перемагничивание магнитопроводов трансформаторов, электродвигателей, изменение заряда электрической емкости линий электропередачи, отдельных проводников, в конечном итоге на сдвиг фазы тока и напряжения в проводниках и элементах сети.

Реактивные элементы обеспечивают сдвиг по фазе между векторами тока и напряжения в нагрузочных цепях. При анализе токов и напряжения представляется возможным условно разделить их на синусоидальные составляющие, которые отдельно соответствуют использованию активной и реактивной энергии. Полная мощность S для каждого потребителя определяется как произведение действующего значения тока потребления I на напряжение U:

S = IU.

(1.3)

В электрической цепи переменного синусоидального тока активная мощность равна произведению действующих значений тока и напряжения на косинус сдвига фаз между ними:

Р = IU cos φ или Р = S cos φ.

(1.4)

Мощность переменного тока характеризуют не только активной, но и реактивной составляющей. Для синусоидального тока реактивная мощность электрической цепи равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус сдвига фаз между ними:

Q = IU sin φ или Q = S sin φ.

(1.5)

Для каждой фазы трехфазной цепи при синусоидальных нагрузках отношение активной составляющей Р, потребляемой мощности к полной S называют коэффициентом электрической мощности, который определяется по формуле:

К = Р/S = сos φ.

(1.6)

Коэффициент К характеризует уровень потребления реактивной мощности электротехническим оборудованием (двигателями, генераторами, трансформаторами и др.), а также нагрузку потребителя в целом. Значения коэффициента электрической мощности при нагрузках различного характера приведены в табл. 1.1.

Таким образом, генераторы электростанций должны вырабатывать наряду с активной мощностью также и реактивную, передаваемую по электрической сети потребителям. При низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им необходимой активной мощности требуется увеличивать нагрузку генераторов электростанций, а также пропускную способность сетей и мощность трансформаторов.

Таблица 1.1.

Усредненные удельные нагрузки общественных потребителей

Общественные потребители	Удельная нагрузка Рпр, кВт	Коэффициент мощности К
Предприятия питания:
полностью электрифицированные	0,90	0,97
частично электрифицированные	0,70	0,95
Магазины (на 1 м торгового зала):
продовольственные	0,11	0,75
промтоварные	0,08—0,07	0,85—0,90
Лечебные корпуса больниц (на одно койко-место)	0,50—0,60	0,90—0,95
Поликлиники (на одно посещение в смену)	0,15	0,90
Школы*	0,11—0,14	0,95
Высшие и средние учебные заведения*	0,16	0,90
Кинотеатры*	0,13—0,08	0,85—0,95
Стадионы* на 40000 мест	0,02	0,98
Общежития без пищеблока (на одно место)	0,10	0,90
Административные учреждения (на 1 м общей площади)	0,04	0,90
Комбинаты бытового обслуживания (на одно рабочее место)	0,50	0,90
Химчистки (на 1 т одежды в смену)	140,0	0,90

* В расчете на одно посадочное место

Усредненные годовые показатели по потреблению электрической энергии могут быть определены для предприятия и целого региона. В табл. 1.2 приведены удельные показатели по потреблению электрической энергии по России, см. также том 1, гл. 8 данного издания.

Таблица 1.2

Средние нормы удельного годового расхода электроэнергии в быту и сфере обслуживания по России

Направление использования	Норма удельного годового расхода электроэнергии, кВт∙ч/(чел.∙год)
Жилой сектор
Освещение домов	125
Бытовые приборы	80
Приготовление пищи	35
Итого	240
Общественный сектор
Освещение улиц	30
Коммунальные и общественные предприятия	120
Водопровод и канализация	20
Итого	170
Всего по жилому и общественному секторам	410

Потребление электрической энергии в промышленности определяется произведением удельных показателей ее расхода на единицу выпускаемой продукции на ее общий объем. В табл. 1.3 приведены значения усредненных удельных норм потребления электрической энергии в различных производствах отдельных отраслей промышленности. Расчетные нагрузки для отдельных видов деятельности определяются по удельной нагрузке Р_пр и объему выпуска продукции Q_пр. При этом потребление электрической энергии вычисляется как

Р = РпрQпр.

(1.7)

Таблица 1.3

Усредненные удельные нормы потребления электроэнергии в различных производствах

отдельных отраслей промышленности

Продукция	Удельный расход электроэнергии на единицу продукции, кВт∙ч
1	2
Металлургическая промышленность
Сталь, выплавляемая в дуговых электропечах	620—1065
Медь черная	385—420
Алюминий-сырец	17400—18400
Магний рафинированный	950
Химическая промышленность
Аммиак, получаемый методом конверсии	750—2000
Искусственное волокно вискозное:
штапельное	2000—3800
ацетатный шелк	5900—6800
капрон	12500—14300
Сода каустическая	60—120
Кислота серная	60—100
Суперфосфат	7—10
Резинотехнические изделия	220—300
Азотная кислота	130—150
Продолжение табл. 1.3
1	2
Машиностроение (производство электротехнических изделий)
Автомобили (1 шт.)	1300—1900
Электродвигатели (на 1 кВт)	4—7
Электрофарфор (1 т)	300—800
Трансформаторы (на 1 кВ∙А)	2,5
Промышленность строительных материалов
Портландцемент	135
Стекло оконное	55—80
Лесная, бумажная и деревообрабатывающая промышленность
Бумага	375—700
Древесина	1000—1350
Легкая промышленность
Хлопчатобумажные изделия (1 т):
прядение	40—50
ткачество	40—70
отделка	130—300
Ковры (1000 м3)	980—1000
Ткани (1000 м3):
шерстяные	2400—3400
хлопчатобумажные	1200
Обувь (1000 пар):
кожаная	400—580
резиновая	600—700
Пищевая промышленность
Крупа	20—100
Хлеб	20—40
Масло, маргарин	8—150
Молочные изделия	30—160
Мясные изделия	50—80

Примечание. Для металлургической, химической, пищевой, лесной, бумажной и деревообрабатывающей промышленности, а также промышленности строительных материалов удельный расход электроэнергии дан в расчете на выпуск 1 т продукции.

Суточные графики нагрузки потребителей. Усредненные удельные нормы потребления электроэнергии в различных сферах деятельности по объему выпускаемой продукции и общему времени ее выпуска позволяют оценить средние значения используемой электрической мощности. В то же время циклический характер производственных процессов, сменная работа производства и сотрудников, изменение погодных и сезонных условий приводят к тому, что временные суточные графики потребления электрической энергии неравномерны и имеют один или несколько максимумов. При производстве электрической энергии необходимо вовремя включить дополнительные генерирующие мощности, чтобы покрыть существующие максимумы нагрузок графиков электропотребления. При этом диспетчерские службы оперативного управления в энергосистеме подготавливают резервные генераторы и, если нужно, паровые котлы резерва, чтобы вовремя покрыть увеличивающуюся нагрузку в системе.

Все это учитывается в тарифном меню, которое предлагается потребителям. Хотя потребители могут сами участвовать в выравнивании графиков нагрузки, в том числе и за счет создания своих собственных генерирующих мощностей.