CC BY
264
УДК 676.013.6-83
Е.В. ЧЕМОДАНОВ
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ НЕСИММЕТРИИ, НЕСИНУСОИДАЛЬНОСТИ И ОТКЛОНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ПРЕДПРИЯТИЯ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА
Ключевые слова: несимметрия, несинусоидальность, отклонение напряжения. Рассмотрены теоретические и практические вопросы, связанные с оценкой влияния несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на работу электрооборудования на примере предприятия агропромышленного комплекса. Проведены исследования уровней несимметрии, несинусоидальности и отклонения напряжения на предприятии, проанализированы динамика показателей качества электрической энергии для различных периодов времени и их влияние на оборудование. Выполнены расчеты потерь электрической энергии, расчет высших гармоник. Получена полуэмпирическая зависимость потерь от потребляемой электроэнергии, и на этой основе найдено оптимальное отклонение напряжения.
E.V. CHEMODANOV ASSESSING THE EFFECTS OF VOLTAGE IMBALANCE, NON-SINUSOIDAL VOLTAGE AND VOLTAGE DEVIATION ON THE ELECTRICAL EQUIPMENT AS THE EXAMPLE OF AGRIBUSINESS ENTERPRISES Key words: voltage imbalance, non-sinusoidal voltage, voltage deviation.
In the article theoretical and practical questions related to assessing the effects of voltage imbalance, non-sinusoidal voltage and voltage deviation on the electrical equipment as the example of agribusiness enterprises. Investigations of the levels of asymmetry, and non-sinusoidal voltage deviation in the factory, the dynamics of the electrical energy quality indicators for different time periods and their effect on equipment are analyzed. Energy losses, levels of higher harmonics are calculated. Semi-empirical dependence loss by total power consumption is deduced, and on that basis found the optimum voltage deviation.
На сегодняшний день актуальными задачами являются энергосбережение и энергоэффективность, для реализации которых принят и действует Федеральный закон «Об энергоэффективности» [5]. В соответствии со ст. 2 закона, «энергосбережение - реализация организационных, правовых, технических, технологических, экономических и иных мер, направленных на уменьшение объема используемых энергетических ресурсов при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования (в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг)». Оценка влияния качества электроэнергии на работу электроприемников позволит применить комплекс мер по снижению потерь электроэнергии, увеличению срока службы оборудования и в конечном счете послужит повышению энергоэффективности производства, экономии электроэнергии, снижению издержек производства.
Объектом исследования выбрана птицефабрика «Акашевская» - молодое, динамично развивающееся предприятие, которое успешно провело модернизацию своих производственных основных фондов, в том числе и электрического оборудования. Птичники для выращивания бройлеров оснащены современным высокотехнологичным оборудованием, управляемым, в основном, с помощью ЭВМ.
В качестве средства измерения применялся прибор «Ресурс-UF2M».
Основными потребителями электроэнергии предприятия являются птичники для выращивания бройлеров на подстилке (табл. 1). В свою очередь, основными потребителями электроэнергии птичников является электрооборудование систем освещения (рабочего и дежурного), кормления (продольной и поперечной кормораздачи) и вентиляции (табл. 2). Схема электроснабжения птичника № 1 и состав его электрооборудования показаны на рис. 1.
Таблица 1
Электроприемники птицефабрики «Акашевская»
Наименование помещения Установленная мощность, кВт Количество потребителей Общая установленная мощность
кВт %
Птичник 20 21 480 83,2
Кормоцех 25 1 25 4,3
Контора 15 1 15 2,6
Лаборатория 15 1 15 2,6
Склад 15 1 15 2,6
Санпропускник 15 1 15 2,6
КНС 11 1 11 1,9
Весовая 1 1 1 0,2
Всего: 577 100,0
Таблица 2
Установленная мощность электрооборудования птичника
№ п/п Наименование операций Наименование оборудования Коли- чество Руст, кВт П, % Суммарная мощность, кВт
1 Вентиляция вентилятор 140 ШБ привод Беіішо ЫМ 230А вентилятор 1680М привод форточек ^М125 8 10 4 2 1,1 0,0025 0,95 0,09 79.5 100 79.5 60,0 11,1 0,03 4,78 0,3
2 Кормораздача мотор-редуктор 0,5 л.с. мотор-редуктор 1 л.с. 4 1 0,37 0,75 72,0 78,5 2,1 0,96
3 Освещение люминесцентные лампы лампы типа ДРЛ 96 2 0,011 0,25 100 100 1,06 0,5
Всего: 20,8
туннельная минимальная вентиляция вентиляция
Рис. 1. Схема электроснабжения птичника № 1 и состав электрооборудования
Важной особенностью работы исследуемого электрооборудования является практически полная ее автоматизация, т.е. оборудование работает под управлением
ЭВМ по заданной заранее программе. Программа работы оборудования задается регламентом по технологии откорма бройлеров при напольном выращивании [6].
Из регламента следует, что электрооборудование птичника работает циклично, причем выделяются суточный цикл и 40-дневный цикл выращивания птицы (период от размещения молодняка до выгрузки готовой птицы). После завершения 40-дневного срока выращивания предусмотрен санитарный разрыв длительностью 10 дней между сдачей партии бройлеров на убой и посадкой новой партии.
В зависимости от дня выращивания изменяются длительность и уровень рабочего освещения, длительность работы кормораздачи. Режим работы вентиляции устанавливается оператором в зависимости от текущей погоды, времени года, возраста птицы и т.д.
Электрические измерения производились в двух точках: на отходящей от трансформатора линии, питающей несколько птичников, и на вводе птичника (рис. 2).
По данным, полученным при измерениях на действующем птичнике, найдено потребление активной и реактивной мощности, коэффициент мощности за суточный период (рис. 3).
На основе данных измерений и регламента [6] составлен примерный суточный график работы электрооборудования (рис. 4).
Для вентиляции принят среднегодовой режим, при котором она работает в течение всего времени суток с периодичностью 4,74 мин и временем включения 0,59 мин.
ТМ-400/10 кВ
* птичник 2
-<Н-
к нагрузке
Рис. 2. Место проведения измерений
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Время, ч
Рис. 3. Потребление активной и реактивной мощности, коэффициент мощности электрооборудования птичника за 3-и сутки выращивания
Внутреннее освещение ' Наружное освещение ,
Кормораздача
Вентиляция
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 1, ч Рис. 4. Суточный график работы электрооборудования птичника (3-и сутки)
Также были измерены спектры высших гармоник электрооборудования птичника, до 40-й гармоники включительно. На основании измеренных данных и паспортных данных электрооборудования найдены параметры схемы замещения на основной частоте и на высших гармониках.
Сопротивление потребителей птичника на основной частоте определяется по опытным данным, равным [7]:
Z = U н gj arccos (cos фн ) (1)
н I ’
н
где ин, 1н - напряжение и ток нагрузки; cos фн - коэффициент мощности нагрузки.
Сопротивление высшим гармоникам асинхронных двигателей кормораздачи и вентиляции принимаются чисто реактивными и равными [1, 2]:
3Uф ном~П cos ф v (2)
Х ад (V) , р
п ном
где Пф ном - номинальное фазное напряжение двигателя; п - КПД двигателя; кп - пусковой коэффициент; Рном - номинальная активная мощность двигателя; V - номер гармоники.
Источники тока высших гармоник - люминесцентные энергосберегающие лампы рабочего освещения и лампы ДРЛ наружного освещения в схеме замещения представляются в виде источников тока, величина которого зависит от номера гармоники:
•Л» - / (4 (3)
Зависимость (3) принимается по данным измерений.
Реактивное и активное сопротивления высшим гармоникам трансформатора равны [1, 2]:
X т ^ V, (4)
1 ^ 100 ^ном
п к АРк Пн°м (5)
(V) - КR(v) ^ ^ ^
ном ном
где мк, ДРк - напряжение и потери короткого замыкания трансформатора; Пном, £ном - номинальные напряжение и мощность трансформатора; Квд - коэффициент увеличения активного сопротивления, принимаемый по данным, полученным в монографии [4].
Реактивное и активное сопротивления высшим гармоникам кабельных линий равны [1, 2]:
Хл(V) -™л1, (6)
Кл(V) -^Гл1, (7)
где I - длина кабельной линии; Хл, Кл - удельные реактивное и активное сопротивле-
ния кабельной линии на основной частоте (табл. 2, 3 [3]).
Найденные по формулам (1)-(7) значения сопротивлений и токов высших гармоник электрооборудования позволяют рассчитать по комплексному методу [7] значения токов и напряжений во всех ветвях и узлах схемы замещения (рис. 5).
на основной частоте (а) и высших гармониках (б)
Моделирование работы электрооборудования производится для основной частоты и для каждой гармоники в отдельности. При этом учитываются режимы работы электрооборудования, указанные выше.
В связи с большим объемом вычислений моделирование целесообразно проводить на ЭВМ с помощью пакетов математического программного обеспечения, например «МаШса&> или аналогичных.
На основе результатов моделирования получена зависимость потерь электроэнергии Шпт Е от её суммарного суточного потребления Шпатр Е и формулы для практического расчета потерь электроэнергии в зависимости от отклонения напряжения системы дП (рис. 6):
Г^пот Е = 0,075^ Е -14,6 при 8П = +7,5%,
< ЖпоТЕ = 0,075^ Е -13,7 при 8П = +5%, (8)
^Е= 0,075^ Е -13,1 при 8П = +2,5%.
Результаты расчета также позволяют вычислить дополнительные потери активной мощности в асинхронных двигателях и трансформаторах, вызванных несиммет-рией и несинусоидальностью напряжения.
Дополнительные потери активной мощности в асинхронных двигателях и трансформаторах, рассчитанные по методике, предложенной в [8], составили:
- для трансформаторов - 4,2 Вт (менее 0,01% от £ном);
- для асинхронных двигателей - 0,37 Вт (0,05% от Рном);
- снижение срока службы для трансформаторов и асинхронных двигателей -0,7% и 0,8%, соответственно.
Итоги исследования показывают, что влияние несимметрии и несинусоидально-сти на работу электрооборудования птицефабрики незначительно, а уровень дополнительных потерь от данных параметров качества значительно меньше потерь на основной частоте.
Это объясняется проведенной модернизацией оборудования, в частности заменой весьма энергоемких электрических брудеров (нагревателей) газовыми, после которой потребляемая электроэнергия значительно снизилась. Однако установленное новое оборудование, а именно люминесцентные энергосберегающие лампы, является источником высших гармоник.
300 350 400 450
Потребление, кВт»ч
□ □ □ Результат моделирования при 5U = 7,5 % о о о Результат моделирования при 5U = 5 % ооо Результат моделирования при 5U = 2,5 %
----Прямая регрессии при 5U = 7,5 %
----Прямая регрессии при 5U = 5 %
----Прямая регрессии при 5U = 2,5 %
Рис. 6. Зависимость потерь от потребления
Потери электроэнергии вызваны в основном протеканием токов основной частоты и их можно снизить путем уменьшения напряжения трансформатора с +7,5 до +2,5% либо заменой существующего трансформатора на аналогичный по мощности с устройством регулирования под нагрузкой.
Полученные формулы потерь (8) и значения годового потребления электроэнергии позволили рассчитать экономический эффект данного мероприятия: 184 420 руб./год.
Литература
1. Жежеленко И.В., Саенко Ю.Л. Показатели качества электроэнергии и их контроль на промышленных предприятиях. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Энергоатомиздат, 2000. 252 с.
2. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: руководство для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2009. 456 с.
3. Каменский М.К., Холодный С.Д. Силовые кабели с пластмассовой изоляцией. Расчет активного и индуктивного сопротивлений // Новости электротехники. 2008. № 3. С. 12-15.
4. Нормирование показателей качества электроэнергии и их оптимизация / С.Л. Войнов, А.З. Гамм, И.И. Голуб и др.; под ред. А. Богуцкого, А.З. Гамма, И.В. Жежеленко / Силезский политехн. ин-т; Сибирский энергетич. ин-т СО АН СССР. Гливице; Иркутск, 1988. 249 с.
5. Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации: Федеральный закон № 261-ФЗ от 23.11.2009 г. // Российская газета. 2009. № 5050(226), 27 нояб.
6. Регламент по технологии откорма бройлеров при напольном выращивании. ООО «Птицефабрика “Акашевская”», 2011. 12 с.
7. Теоретические основы электротехники: учебник для вузов: в 3 т. 4-е изд. / К.С. Демир-чян, Л.Р. Нейман, Н.В. Коровкин и др. СПб.: Питер, 2004. Т. 1. 463 с.
8. Шидловский А.К., Кузнецов В.Г. Повышение качества энергии в электрических сетях. Киев: Наук. думка, 1985. 268 с.
ЧЕМОДАНОВ ЕВГЕНИЙ ВИТАЛЬЕВИЧ - инженер кафедры электроснабжения и технической диагностики, Марийский государственный университет, Россия, Йошкар-Ола (bork86@gmail.com).
CHEMODANOV EVGENIY VITALYEVICH - engineer of Electric Power Supply and Technical Diagnostics Chair, Mari State University, Russia, Yoshkar-Ola.
