CC BY
22
УДК 621.311:621.316
Ф. С. НЕПША В. М. ЕФРЕМЕНКО
Кузбасский государственный технический университет им. Т. Ф. Горбачева, г. Кемерово
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НА УРОВЕНЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ СЭС УГОЛЬНОЙ ШАХТЫ, НЕ УЧАСТВУЮЩИХ В РЕГУЛИРОВАНИИ УРОВНЯ НАПРЯЖЕНИЯ
В ра боте выполнена оценка влияния элементов системы электроснабжения (СЭС) не участвующих в регулировании напряжения, на уровень потребления активной и реактивной мощности в СЭС у гольной ш а хты. Определены регулирующие эффекты этих элементов сети в отношении общего уровня потребления СЭС. Установлены основные закономерности и функциональные с в язи между пар а метрами элементов, характеристиками н агрузки и уровнем потерь активной и реактивной мощности. Выявлено, что полученные закономерности должны быть учтены при управлении режимом СЭС у гольной ш ахты по критерию минимума потребления активной мощности. Ключевые слова: регулирование н апряжения, потери активной мощности, оптимизация уровня н апряжения, у г ольная ш ахта.
При управлении уровнем напряжения в СЭС угольной шахты по критерию минимума потребления активной мощности необходимо иметь понимание о влиянии каждого элемента сети на уровень потребления активной и реактивной мощности, в том числе элементов, которые непосредственно не участвуют в регулировании напряжения.
К таким элементам относятся электроустановки, параметры которых не могут быть изменены в процессе функционирования СЭС: передвижные участковые подземные подстанции (ПУПП), кабельные линии, токоограничивающие реакторы.
В процессе изменения режима работы СЭС угольной шахты может изменяться нагрузка этих элементов. Любое изменение нагрузки приводит к нелинейному изменению производных параметров элементов (потери активной и реактивной мощностей, потери напряжения и пр.) [1—3]. Для оценки влияния элементов СЭС, не участвующих в регулировании напряжения, на уровень потребления активной и реактивной мощностей, необходимо проанализировать характер изменения потерь напряжения и потерь активной и реактивной мощностей. Отметим, что потери активной и реактивной мощности на вышеуказанных элементах являются собственным потреблением элементов сети и вносят вклад в общий уровень потребления СЭС.
Влияние на уровень потребления активной и реактивной мощности определяется регулирующим эффектом, который характеризует изменение потребляемой мощности в процентах при изменении напряжения на один процент [4, с. 15]. Фактически
регулирующие эффекты по активной (a 1) и реактивной ( Ь 1) мощности определяются по формулам:
b
d DP
dU '
dDQ dU '
(1)
(2)
где АР , АО — потери активной и реактивной мощности, U — уровень напряжения в сети.
Выполним оценку влияния на уровень потребления активной и реактивной мощности отдельных элементов СЭС угольной шахты.
Кабельные линии. В общем случае кабельные линии (КЛ) до 35 кВ при расчете представляют в виде П-образной схемы замещения, в которой активные и емкостные проводимости не учитываются [5]. Активное и реактивное сопротивление КЛ может быть определено по формулам:
R=r0l, X=x0l,
(3)
где l — длина линии (км), r0 (Ом/км), x0 (Ом/км) — погонные параметры линии.
Потери напряжения в КЛ определяются по формуле:
PR + QX
Аил = V31 (R cos j + X 0sin j) =-U-' (4)
Потери активной и реактивной мощностей в КЛ определяются по формулам [6]:
Рис. 1. Зависимость потерь напряжения от коэффициента реактивной мощности нагрузки и коэффициента загрузки кабеля марки КГЭШ 3X95+1X10
-¿и*=т ¿а*=т
О 20 ио 60 ВО 100
Р, мм2
Рис. 2. Зависимости Аи, АР, ДО={(Р) кабелей марок КГЭШ = 1 км) при номинальной нагрузке
Рис. 3. Схема регулирования без возбуждения (ПБВ)
АРЛ = 4 * = ^ Л = Р^Е) *, (5)
Л и2 и2 и2
АО, = 51X = Р^+О!X = Р2(1 + *2ф) X,
и2
и2
и2
(6)
где Р — активная нагрузка КЛ, кВт; О — реактивная нагрузка КЛ, кВАр; 5 — полная нагрузка КЛ, кВА; tgj — коэффициент реактивной мощности нагрузки КЛ.
Зависимость потерь напряжения от коэффициента реактивной мощности нагрузки и коэффи-
циента загрузки кабеля марки КГЭШ 3x95+1x10 длиной 1 км представлена на рис. 1.
По формулам (3 — 6) также были получены зависимости уровня относительных потерь напряжения и мощности Аи , АР *, АО=!(Р) от сечения кабеля марки КГЭШ длиной 1 км при номинальной нагрузке, где Аи * = Аи / и ном , АО = АО / О , АР * = = АР / Р . Полученные зависимости приведены на рис. 2.
Проведенный анализ, а также данные рис. 1—2 показывают следующее:
— продифференцировав выражения (5 — 6) по формулам (1—2), получено, что регулирующий эффект потерь активной и реактивной мощности в КЛ постоянен и равен —2;
— при увеличении сечения кабеля происходит уменьшение потерь напряжения и относительных потерь активной мощности, следовательно, снижается влияние КЛ на уровень потребления активной мощности в СЭС. При этом возрастает влияние КЛ на уровень потребления реактивной мощности в СЭС;
— учитывая преобладание активного сопротивления над индуктивным сопротивлением, при постоянной токовой нагрузке и увеличении коэффициента реактивной мощности нагрузки происходит уменьшение потерь напряжения в кабеле;
— влияние КЛ на уровень потребления определяется ее загрузкой, сечением и коэффициентом реактивной мощности нагрузки.
Передвижные участковые подземные подстанции (ПУПП). Параметры схемы замещения ПУПП определяются по каталожным или паспортным данным. Необходимо учитывать, что на ПУПП имеются устройства переключения без возбуждения (ПБВ),
Рис. 4. Зависимость потерь напряжения (Ди, %) от коэффициента реактивной мощности нагрузки (д ф) и коэффициента загрузки (р) ПУПП марки КТПВ-1000
Рис. 5. Зависимости потерь активной (а) и реактивной (б) мощности от уровня напряжения питающей сети при различных значениях коэффициента загрузки ПУПП марки КТПВ-1000/6
положение которых оказывает влияние на параметры схемы замещения ПУПП [7].
Схема фазных обмоток с регулировочными ответвлениями трансформаторов ПБВ представлена на рис. 3.
Рис. 3 показывает, что при изменении положения устройства ПБВ от « — 2» до «2» активное и индуктивное сопротивления обмотки увеличиваются. Практически на угольных шахтах ПБВ ПУПП находятся в положении « — 1».
Учитывая наличие устройства ПБВ, параметры схемы замещения ПУПП, приведенные к напряжению 6 кВ, определяются по следующим формулам:
АР.Ц„ом(1 + п -Аисш.))2
(7)
7 _ Щ%от»(Цном1 + п -АЦст.))2
^ ПУПП
100 - 5 Н
(8)
где
и
к% отв
ния, %.
,пп — полное сопротивление ПУПП (Ом), номинальное напряжение короткого замыка-
ХПУПП _ л/^
ПУПП ПУПП
(9)
где Хпупп — индуктивное сопротивление ПУПП (Ом).
Потери напряжения в ПУПП определяются по формуле [8]:
АЦ п
_ л/з/(ЯПУПП сов ф +хПУПП вт ф) _
РЯГ
+ ОХп
и
(10)
где Япупп — активное сопротивление ПУПП (Ом), АРК — потери короткого замыкания (кВт), Цном — номинальное напряжение (кВ), 5 — номинальная
^ у I ' ном
мощность ПУПП (кВА), п — номер отпайки ПБВ.
Зависимость потерь напряжения от коэффициента реактивной мощности нагрузки и коэффициента загрузки ПУПП марки КТПВ-1000 представлена на рис. 4.
Из рис. 4 следует, что с увеличением коэффициента реактивной мощности нагрузки увеличивается диапазон изменения потерь напряжения при изменении коэффициента загрузки ПУПП от 0 до 1. Следовательно, с увеличением коэффициента реактивной мощности усиливается регулирующий эффект ПУПП в отношении уровня потребления его электроприемников.
Влияние ПУПП на уровень потребления активной и реактивной мощностей также характеризуется изменением уровня потерь активной и реактивной мощности в зависимости от уровня напряжения питающей сети.
Потери активной и реактивной мощности в ПУПП можно определить по формулам:
АРпупп (ц) =
(р- 5ном)2 АР.(Цном(1 + п -Аист.))2
и2
-103
Я
52 -10
5 НОМ 10
3
2
2
+
95
2
5
Рис. 6. Регулирующие эффекты ПУПП разных марок по потерям активной (а) и реактивной (б) мощности
в зависимости от коэффициента загрузки р
АОпупп (и) =
и
_(Р- 5ЛОМ)2 (ином(1 + п -Аисш.))2
(11)
и2
10000
АР2
+АОх
5
-.2 ном
и
(12)
где АРх, АОх — активные и реактивные потери холостого хода, Р — коэффициент загрузки ПУПП.
Принимая, что устройство ПБВ находится в положении «—1» и ином равно 6 кВ, получим следующие выражения:
2
АРп
Аи) _
34,2 - Р2 - АРк
и2
+ АРх
и и
(13)
АОпупп (и) _
34,2 - Р2 - 5н
и2
+ АОх
АРк2
10000 52
и
и н
(14)
Статические характеристики потерь активной и реактивной мощности по напряжению, построенные по выражениям (13) и (14) для ПУПП марки КТПВ-1000/6, представлены на рис. 5. При этом
АР * _ АРпупп (и)/ АРном и АО * _ АОпупп (и)/ АО^м , где АРном и АОном — потери активной и реактивной мощности в ПУПП при номинальной загрузке и нейтральном положении ПБВ «0».
Также был выполнен анализ регулирующих эффектов потерь активной и реактивной мощности для ПУПП различных номиналов [9]. Регулирующие эффекты получены путем аппроксимации зависимостей АР * _ / (и ) и последующим дифференцированием функции по формулам (1) и (2).
Графики зависимости регулирующих эффектов ПУПП по потерям активной а1 и реактивной мощности Ь1 в зависимости от коэффициента загрузки Р представлены на рис. 6.
Данные рис. 5 — 6 позволяют сделать следующие выводы:
— при Р _ 0,6 - 0,7 потери мощности в ПУПП практически не зависят от уровня напряжения. При
этом, согласно [10], при такой загрузке КПД трансформатора имеет максимальное значение. Следовательно, если загрузка трансформатора соответствует максимальному КПД, уровень потерь мощности в трансформаторе практически не зависит от напряжения;
— характер изменения потерь активной мощности в ПУПП неоднозначен и зависит от коэффициента загрузки и соотношения АРк и АРх ;
— с увеличением загрузки ПУПП регулирующий эффект потерь активной и реактивной мощности становится отрицательным. При загрузке ниже критического значения уровень потерь активной мощности возрастает;
— регулирующий эффект потерь активной мощности в ПУПП изменяется в пределах от — 1,17 до 0,51;
— регулирующий эффект потерь реактивной мощности в ПУПП изменяется в пределах от —1,53 до 0,786;
— статические характеристики потерь реактивной мощности по напряжению имеют более крутой характер и регулирующий эффект ПУПП по потерям реактивной мощности более значителен;
— с увеличением номинальной мощности ПУПП значение критической загрузки, при которой наблюдается отрицательный эффект в отношении уровня потерь активной и реактивной мощностей, уменьшается.
Токоограничивающие реакторы. В связи с развитием коммутационного оборудования реакторы получают все меньшее распространение в СЭС угольных шахт.
Для реактора параметром, характеризующим уровень потребления реактивной мощности, является индуктивное сопротивление, которое может быть определено по формуле:
х - и
р% р.ном
Хр 100 -431
(15)
Потери активной мощности в реакторе принимаются равными «0». При этом потери реактивной мощности в реакторе определяются по формуле (6), а потери напряжения в реакторе определяются по формуле (16).
Аи _431Х вш Ф _
и
(16)
2
+ АР, -
5
2
2
и
2
и
+
2
96
Регулирующий эффект реактора равен — 2, так как с увеличением напряжения на 1 % наблюдается снижение потерь реактивной мощности на 2 %.
Таким образом, авторами был выполнен подробный анализ влияния элементов СЭС, не участвующих в регулировании напряжения, на уровень потребления активной и реактивной мощности. Результаты анализа показывают, что они оказывают значительное влияние на уровень потребления активной и реактивной мощности, что должно быть учтено при выполнении оптимизации уровня напряжения по критерию минимума потребления активной мощности в СЭС угольной шахты.
Библиографический список
1. Миновский Ю. П. Эффективность электроснабжения забоев угольных шахт. М.: Недра, 1990. 160 с. ISBN 5-24701209-7.
2. Гойхман В. М., Миновский Ю. П. Регулирование электропотребления и экономия электроэнергии на угольных шахтах. М.: Недра, 1988. 187 с. ISBN 5-247-00242-3.
3. Иванов B. C., Соколов В. И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. 336 с.
4. Конюхова Е. А. Режимы напряжений и компенсация реактивной мощности в цеховых электрических сетях. М.: Энергопрогресс, 2000. 54 с. ISBN 5-7046-0563-Х.
5. Герасименко А. А., Федин В. Т. Передача и распределение электрической энергии. 4-е изд., стер. М.: КНОРУС, 2014. 648 с. ISBN 978-5-406-03226-8.
6. Железко Ю. С., Артемьев А. В., Савченко О. В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. Руководство для практических расчетов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 280 с. ISBN 5-93196-264-6.
7. Маркушевич Н. С. Регулирование напряжения и экономия электроэнергии. М.: Энергоатомиздат, 1984. 104 с.
8. ГОСТ Р 52719 — 2007 Трансформаторы силовые. Общие технические условия. Введ. 2008 — 01 —01. М.: Стандартинформ,
2007. 45 с.
9. Губко А. А. Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий. Изд. 2-е. Белово: Беловский полиграфист,
2008. 534 с. ISBN 5-85471-114-1.
10. Вольдек А. И., Попов В. В. Электрические машины. Введение в электромеханику. Машины постоянного тока и трансформаторы. СПб.: Питер, 2008. 320 с. ISBN 978-5-46901380-8.
НЕПША Федор Сергеевич, старший преподаватель кафедры «Электроснабжение горных и промышленных предприятий».
Адрес для переписки: nepshafs@gmail.com ЕФРЕМЕНКО Владимир Михайлович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Горные машины и комплексы». Адрес для переписки: evm-47@mail.ru
Статья поступила в редакцию 07.08.2017 г. © Ф. С. Непша, В. М. Ефременко
Книжная полка
Клевцов, А. Бесконтактные устройства пуска и торможения электродвигателей : учеб. пособие / А. Клевцов. - М. : Инфра-Инженерия, 2018. - 188 с. - ISBN 978-5-9729-0200-2.
В связи с интенсивным развитием в последние годы промышленного производства изделий силовой электроники, стало возможным создание целой гаммы бесконтактных устройств, обеспечивающих запуск и торможение асинхронных электродвигателей в условиях значительного снижения негативных явлений, присущих использованию традиционной электромеханической аппаратуры. Как правило, прилагаемые руководства по эксплуатации содержат достаточные сведения для подключения, запуска и инициализации устройств, но для проведения надлежащего выбора их конфигурации и оценки функциональных возможностей применительно к конкретному применению, определения режима работы, анализа сбойных и аварийных ситуаций, диагностики и ремонта — этой информации недостаточно. Пособие призвано, в определенной мере, восполнить дефицит регулярной и интегрированной информации по сложившемуся направлению в приводной технике, особенно для той прослойки специалистов, которые заняты проектированием электрооборудования технологических комплексов, техническим обслуживанием и ремонтом действующего оборудования. Немалая часть книги посвящена описанию принципов работы бесконтактных устройств от простейших коммутаторов нагрузки до достаточно сложных интеллектуальных устройств плавного пуска. Подробно затронуты вопросы применения в промышленном оборудовании и коммунальной сфере, включая методику выбора и оценки эффективности использования. Пособие может быть использовано студентами технических университетов при курсовом и дипломном проектировании, а также специалистами электротехнического профиля эксплуатационных служб предприятий различных отраслей промышленности.
Кравцов, А. Электрические измерения : учеб. пособие / А. Кравцов, А. Пузарин. - М. : РИОР, Инфра-М, 2018. - 148 с. - ISBN 978-5-369-01736-4, 978-5-16-013519-9.
Учебное пособие написано в соответствии с программой одноименной дисциплины для студентов бакалавриата энергетических факультетов аграрных вузов. Изложены основы метрологии, рассмотрена современная терминология и классификации методов и средств измерений, электрических и не электрических величин. Приведены сведения об устройстве, принципах действия, особенностях применения измерительных приборов и преобразователей, методы и теория электрических средств измерений в агропромышленном производстве. Материал представлен с учетом новейших достижений и тенденций развития теории измерений и измерительной техники. Может быть использовано инженерно-техническими специалистами агропромышленного комплекса.
