Глава 3. Потребление электроэнергии и электрические нагрузки

ность рабочего периода, по истечении которого они должны быть отключены на время t > ЗТ₀.

При повторно-кратковременном режиме работы двигателя кратковремен­ные рабочие периоды номинальной нагрузки чередуются с паузами и возмож­ны более сильные нагрузки, чем при продолжительном номинальном режиме (рис. 3.1, в). Продолжительность рабочих периодов и пауз не настолько вели­ка, чтобы перегревы отдельных частей двигателя при неизменной температу­ре окружающей среды могли достигнуть установившихся значений.

Повторно-кратковременный режим работы характеризуется длительностью рабочего периода — продолжительностью включения в процентах (ПВ, %) или в относительных единицах Г_пв, которое определяется отношением време­ни включения /_в ко времени всего цикла t_u, т. е. ко времени отключения t₀ плюс время включения /_в:

Гпв='./<'о⁺'.> = './'ц-

Значение t_n при повторно-кратковременном режиме не должно превышать 10 мин, а длительность рабочего периода не более 4 мин.

Для ряда технологий t_u составляет 1 с и менее, что ведет к специальным методам расчета нагрузок, например для рельефных сварочных машин.

Для двигателей подъемно-транспортных и других механизмов установлены значения ПВ, равные 15, 25, 40 и 60 %, для которых электротехническая про­мышленность выпускает оборудование. Фактические ПВ устройств в процес­се работы изменяются в значительных пределах, поэтому возникает необходи­мость перерасчета их мощности с паспортной ПВ на фактическую.

Соотношение между повторно-кратковременными мощностями Р_х и Р₂ при соответствующих ПВ, и ПВ₂:

/^пв./юо =р_2Л/пв₂/юо = />_прод,

где Р — мощность, соответствующая продолжительному режиму (ПВ = = 100 %).

Кроме разделения потребителей по режимам работы следует учитывать также несимметричность нагрузки (неравномерность нагрузки по фазам). Трехфазные электродвигатели и печи — симметричные нагрузки, а электри­ческое освещение (одно- и двухфазное), однофазные и двухфазные печи, од­нофазные сварочные трансформаторы и другие — несимметричные.

Особую группу электроприемников составляют единичные с большой еди­ничной мощностью (например, трансформаторы, работающие в блоке с элек­тропечью, преобразователем, импульсной установкой; электропривод 30 МВт воздуходувки и др.), определяющие расчетную электрическую нагрузку, схемы главных 5УР и распределительных 4УР подстанций, меры по обеспечению ка­чества электроэнергии в электрических сетях общего назначения, технические условия на присоединение к энергоснабжающей организации.

3.2. Параметры электропотребления и расчетные коэффициенты

107

3.2. Параметры электропотребления и расчетные коэффициенты

Цель расчета электрических нагрузок — определение токов, протекающих по токоведущим элементам, для выяснения их допустимости по условиям на­грева элементов. Расчет электрических нагрузок проводится для определения величин затрат в системах электроснабжения промышленных предприятий.

Температура нагрева проводников ограничивается условиями износа изо­ляции и работы самого элемента. Если бы токи в проводниках были неизмен­ны, то расчет их сечений можно было бы производить, пользуясь допустимы­ми температурами перегрева. Для кабелей и приводов, например, она составляет 50—80 °С. Но меняющийся во времени ток вызывает изменение температуры проводников. Интерес представляет максимальная температура, которая может существовать некоторое время.

Требование т_уст < т_доп (установившаяся температура меньше допустимой), приводит к тому, что в паспорте оборудования (в каталожных данных) указы­вается: 1) номинальная мощность, при которой не произойдет перегрева (для трансформаторов, электродвигателей, генераторов); 2) допустимый ток, при котором не будет перегрева (для проводов, кабелей, реакторов).

Расчетная величина электрических нагрузок Р определяет технические ре­шения и указывает затраты на изготовление электротехнических изделий, на создание и развитие субъектов электроэнергетики, на построение и функци­онирование объектов электрики. Ожидаемые Р определяют электроснабже­ние всех уровней. Опыт показал, что значения Р_р систематически завышают и что проблемы ее расчета 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 составляли 50-200 %, фактическая загрузка силовых трансформаторов — 25-40 %, рас­пределительных сетей — 20-30 %, коэффициент спроса находится на уровне 0,2—0,25 %. Такое положение было характерно и для других отраслей. Первое десятилетие рынка снизило на четверть среднюю общезаводскую загрузку трансформаторов и сетей системы электроснабжения и коэффициент спроса предприятий. В начале XXI века в электроэнергетике России устойчиво не ис­пользуется не менее 30 ГВт генерирующих мощностей, ежегодное содержание которых (через тарифы) потребителям энергии обходится 12—15 млрд руб.

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. Поня-

108 Глава 3. Потребление электроэнергии и электрические нагрузки

тие Р многозначно и применяется, во-первых, как связанное с физическим процессом протекания электрического тока, во-вторых, при инвестиционном проектировании, решении перспективных вопросов развития предприятия, модернизации отдельных производств, при согласовании вопросов присоеди­нения (подключения) предприятия или отдельных его объектов с энергоснаб-жающей организацией; в третьих для нормирования, оплаты и других целей, связанных с управлением электропотреблением и энергосбережением.

Исторически, со времен Вольта и Ома, из-за греющего действия электри­ческого тока / возникла проблема выбора сечения проводников. Выбор эле­ментов электрической сети с учетом условий нагрева — один из основных эта­пов проектирования. Максимальную температуру перегрева проводника с постоянной времени нагрева 7₀ в общем случае определяют по уравнению теплового баланса только для неизменного во времени t графика нагрузки /(/) = const, т. е. для электроприемников, имеющих постоянную во времени нагрузку (см. рис. 3.1, а).

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 (исчезающе мала вероятность сохранения нагрузки для двух последовательных интервалов Л/, сравнимых с часто применяемым интервалом дискретизации, равным 3 мин). На рис. 3.2, а представлено изменение напряжения U_mu = 220 В случайного выбранного по­требителя — интервал 1 ч. Закон изменения нагрузки, например на протяже­нии года, достаточно сложен. Подключение, соединение электроприемников в группу на распределительном щите или на подстанции порождает случай­ный характер нагрузки, в этом случае уравнение теплового баланса, в том чис­ле (3.3), становится неразрешимым из-за математических трудностей.

Поэтому выбор сечения проводника по нагреву производят не по макси­мальной температуре перегрева, а по расчетной токовой нагрузке /, которая определяется на основании принципа максимума средней нагрузки:

h_mit)=^)){t)dt, (3.4)

где 6 — длительность интервала осреднения (9 < t< T— 9), принимаемая для графиков нагрузки, практически неизменных во времени, равной 0 = ЗГ₀ (во всех остальных случаях 9 < 37J,). Для распространенных сечений F кабеля по­стоянная времени нагрева 7J, (за время, равное 3 Т₀ проводник нагревается до 95% от т_уст) изменяется следующим образом:

F, мм² 6 10 16 25 35 50 70 95 120 150

Т₀, мин 4,2 4,8 5,6 7,2 9 12 15 18,4 21,4 24,2

Для оценки нагрева проводников правильнее использовать закон Джоуля— Ленца и вести расчет по максимуму среднеквадратичного (эффективного) то­ка для каждого изменения за время At. Расчетный ток /, равный максимуму

3.2. Параметры электропотребления и расчетные коэффициенты

109

Р, МВт 20

10

Р, МВт

10-

15

30 45

в

60

t, с

t, с

100

Р, МВт '

Рис. 3.2. Графики изменения напряжения и электрической мощности в зависимости от времени нагрузки:

а — трехминутные отклонения напряжения при часовом интервале; б — мгновенные значения ак­тивной мощности фазы дуговой печи; в — минутная нагрузка металлообрабатывающего станка; г — суммарная нагрузка главных приводов тонколистового стана за цикл горячего проката

среднего тока, можно считать приближением, обеспечивающим инженерную точность при построении схемы электроснабжения.

В простейшем случае, когда нагрузка постоянна, принимают / = const = /_р. При переменной нагрузке, когда график чаще всего случайный, использова­ние выражения (3.4) приводит к эквивалентному по эффектам нагрева расчет­ному току /, который вызывает в проводнике или такой же максимальный нагрев, или тот же тепловой износ изоляции, что и при заданной переменной нагрузке / (t). Ток /_р обычно определяют по уравнению расчетной активной нагрузки;

110 Глава 3. Потребление электроэнергии и электрические нагрузки

^,=V3[/_HOM/_pcos(p_p, (3.5)

где U_mu — номинальное напряжение; cos(p_p — расчетный коэффициент мощ­ности.

В качестве расчетной нагрузки применяют среднюю нагрузку по активной мощности, где интервал реализации продолжительностью Т связывают с по­стоянной времени нагрева Т₀:

Pe=^'⁺fp{t)dt, (3.6)

где е < / < т - е.

Условно принимают Т₀ = 10 мин, тогда 0 = 30 мин независимо от сечения проводника, что и приводит к понятию получасового максимума P_msiX. Ис­пользование максимальной из средних нагрузок, в чем и заключается прин­цип максимума средней нагрузки, позволяет говорить о расчетном (проект­ном) максимуме, заявленном или фактическом (суточном, недельном, месячном, квартальном и годовом), 30-минутном, Р_}0 — Р_тт-

Использование вместо расчетного максимума Р значения получасового Р_тах приводит к завышению сечений проводников, мощностей трансформато­ров и др. Существует тенденция (особенно с внедрением информационных технологий) к уменьшению интервала осреднения, например до 1—5 мин при управлении электропотреблением, и к его 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 любого назначения указывается неизменный во времени нормируемый (номинальный) ток 1_ном, длительно предельно допустимый по нагреву. Напри­мер, по ПУЭ допустимый длительный ток для трехжильных кабелей (напря­жение 10 кВ, сечение токопроводящей жилы 185 мм², с алюминиевыми жи­лами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке), прокладываемых в зем­ле, составляет 310 А. Ток принят из расчета прокладки в траншее (земле) на глубине 0,7-1,0 м не более одного кабеля при температуре земли +15 °С, с удельным сопротивлением земли 120 см-К/Вт и 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 1_р выбирают ближайшее сечение, номинальный ток которого с учетом всех расчетных коэффициентов больше (/_ном > /_р).

Таким образом, при проверке на нагрев проводников любого назначения используют получасовой максимум тока /_тах, наибольший из средних получа­совых токов данного элемента. Выбор сечений проводников в целях опреде­ления предельно допустимого нагрева производится с учетом не только нор­мальных, но и послеаварийных режимов, а также режимов в период ремонта

т

3.2. Параметры электропотребления и расчетные коэффициенты

111

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 и энергии в 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 с учетом законов Максвелла.

Кроме того, понятие получасового максимума активной мощности Р_тт стали применять: 1) с 70-х годов к максимальной 30-минутной мощности, за­являемой промышленными предприятиями в договорах с энергосистемами на 6УР, 2) 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); 3) с выходом Федеративного зако­на «Об электроэнергетике» — к договорной величине мощности и энергии при оказании услуг по передаче электроэнергии по единой национальной эле­ктрической сети, при обращении на оптовый рынок или при функциониро­вании в пределах различных розничных рынков электроэнергии. 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 (договор­ной) на 6УР (на уровне предприятия): Р_р = Р_тю = Р_ф = /^>_1(П1ах).

Заявленный максимум не передается по конкретному проводу, не транс­формируется одним трансформатором, не отключается одним выключателем: физически нет тока, соответствующего расчетной мощности Р и определяе­мого по уравнению (3.5). Положение усложняется, если учитывать максималь­ную электрическую нагрузку: 1) в утренние и вечерние часы (Р_у(тях) и Р_ъ(тах)); 2) ночную; 3) превышающую заявленную и лимит (который может быть раз­решен, если есть резерв у субъектов электроэнергетики); 4) соответствующую проектной технологической производительности; 5) согласованную с энерго-снабжающей организацией для подключения; 6) перспективную проектную нагрузку; 7) при осуществлении регулирования режима электропотребления (управление потребителями-регуляторами) и др.

Таким образом, при решении вопросов электроснабжения определяющей является расчетная электрическая нагрузка, равная получасовому максимуму Р_тт. Этот максимум можно находить по данным конкретных электроприем­ников и применять для расчетов электрических сетей и их элементов (на ос­новании теоретических основ электротехники). Но его можно рассчитывать и с учетом системных свойств предприятия, устойчивости развития и ценологи-ческой устойчивости структуры. Такой Р_тш нужен при выборе схем электро­снабжения предприятий, производств и цехов, определении объемов их элек-

112