ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ВНУТРИЦЕХОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

© Е.И. Грачева, А.Н. Горлов, А.Н. Алимова УДК 621.311

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОЦЕНКА ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ВНУТРИЦЕХОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Е.И. Грачева1, А.Н. Горлов2, А.Н. Алимова1

1Казанский государственный энергетический университет, г.Казань, Россия 2Юго-Западный Государственный Университет, г. Курск, Россия

grachieva. i@bk. ru

Резюме: в условиях рыночной экономики возрастают требования к точности учета потерь электроэнергии при планировании, контроле и анализе технико -экономических показателей работы промышленных предприятий. Оценка потерь электрической энергии в системах внутрицехового электроснабжения проведена для участка механического цеха. Рассмотрено влияние таких параметров на величину потерь электроэнергии, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивление контактов коммутационных аппаратов, которые установлены на линиях и, в свою очередь, немаловажным фактором является температура окружающей среды. Определены погрешности расчета потерь от неучета рассматриваемых основных влияющих факторов. Выявлены зависимости потерь мощности и электроэнергии в линиях. Расчетным методом выявлена необходимость учета сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях.

Ключевые слова: цеховые сети, потери электроэнергии, сопротивление контактов коммутационных аппаратов.

RESEARCH AND ESTIMATION LOSSES OF ELECTRIC ENERGY IN THE SYSTEMS OF INTERNAL ELECTRICAL POWER SUPPLY

El Gracheva 1, AN Gorlov 2, AN Alimova. 1

1Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia 2The Southwest State University, Kursk, Russia grachieva. i@bk. ru

Abstract: requirements are increasing for the accuracy of electricity losses in the planning, monitoring and analysis of technical and economic indicators of industrial enterprises. The evaluation of electric power losses in the systems of internal power supply was carried out for the site of the machine shop. The article considers the influence of such parameters on the amount of electric power losses, such as heating of wires and cable lines, contact resistance of switching devices, which are installed on the lines and, in turn, an important factor is the ambient temperature. The errors of calculation of losses from neglect of the main influencing factors are determined. The dependences of power and electricity losses in the lines are revealed. The calculation method revealed the need to consider the resistance of contact connections of switching devices when determining the loss of electricity in workshop networks.

Keywords: shop grids, electric power losses, contact resistance of switching devices.

Введение

Современные темпы развития технологий и промышленности приводят к тому, что возникает потребность в улучшении качества проведения учета потерь электрической энергии в системах электроснабжения. Как известно передача, распределение и потребление электроэнергии на промышленных предприятиях должны несомненно производиться с высокой надежностью и экономичностью, и также необходимо обеспечить соответствующее требованиям качество электроэнергии.

Значительное число различных факторов имеет существенное влияние на величину

потерь электроэнергии. Снижение уровня потерь в электрических сетях промышленных предприятий - одна из наиболее важных эксплуатационных задач. Для определения содержания и порядка проведения мероприятий по снижению потерь необходимо предварительно выявить основные недостатки построения и функционирования сети.

Встает вопрос о необходимости исследования системы цехового электроснабжения с учетом конструктивных и эксплуатационных показателей: количество коммутационных аппаратов, установленных на линии, длина, сечение, нагрузка и коэффициент загрузки линии.

Методика исследования

Оценим влияние на величину потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения таких параметров, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов (КА), температура окружающей среды, на основе данных 218 схем предприятий машиностроительной отрасли. В качестве примера рассмотрим участок механического цеха [1].

Система цехового электроснабжения участка механического цеха представляет собой смешанную схему, состоящую из радиальных и магистральных линий (из 4 -х распределительных шинопроводов). В табл. 1 показаны основные схемные и режимные характеристики оборудования участка механического цеха с учетом числа коммутационных аппаратов, установленных на линиях [2].

Нагрузочные потери электроэнергии в элементе трехфазной сети сопротивлением R находят по выражению.

Т 9

АЖн = 3К112(/)А (1)

где /(/) - полный ток в элементе в момент времени /.

Точное определение потерь электроэнергии за интервал времени Т возможно при известных значениях параметра Я и функции времени /(/) на всем интервале [3; 4].

Примечательно, что сопротивление проводов ответвлений от шинопроводов вычисляется как сопротивление радиальных сетей и затем учитывается в выражении для эквивалентного сопротивления шинопровода:

•1 • /в(1 + %)(2 + %)+ '» }[1 + а(0"0о)] + (2)

КЭШ _ Г20

где г - сопротивление 1 м шинопровода при 20 °С, мОм; I - длина шинопровода, м; п - количество приемников, присоединенных к шинопроводу; гп - сопротивление провода ответвления от шинопровода, мОм; Г - сопротивление коммутационного аппарата ответвления, мОм; а - температурный коэффициент увеличения сопротивления, 1/°С; 6 - температура шинопровода, °С; 60 - температура окружающей среды, °С.

о

Таблица 1

Схемные и режимные характеристики отечественного оборудования механического цеха

Кол-во КА на одной линии Кол-во линий сети Пределы изменения длины линии, м Пределы изменения сечения линии, мм2 Пределы изменения мощности ЭП, питающегося от линии, кВт Пределы к3 линии сети

1 48 3 - 10 10 - 185 17 - 150 0,66 - 0,82

2 4 8 - 10 185 - 240 202 - 680 0,78- 1

3 1 10 35 40 0,72

Известно, что сопротивление радиальных сетей, в том числе и ответвлений от шинопровода зависит от его температуры:

К = £• I-[1 + 0,004 • (6-20)] + £гк (3)

где р - удельное электрическое сопротивление проводника, мОм • м; I - длина

проводника, м; 5 - поперечное сечение проводника, мм2; 0 - температура нагрева проводника,°С; Iгк - сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на линии [5; 6].

Сопротивление контактов автоматических выключателей, установленных на

линии:

гк = 307/ (для 1Н > 60 А),

к / 1Н

гк = 349/ (для 1н <60 А),

к / 1Н

где 1н - номинальный ток выключателя.

С учетом того, что на линии к крану установлен 1 автоматический выключатель и ЯРП, состоящее из рубильника и предохранителя, тогда [7; 8]:

Г =12% (для рубильников),

к / I

Н

г, = (для предохранителей).

К /1Н

Кроме того, на линиях к токарному и фрезерному станкам установлены магнитные пускатели, для которых сопротивление контактов определяется по выражениям:

Я = 82V для токарных станков (1Н < 70 А );

/1Н

Я = 760/т для фрезерных станков (1Н > 70 А ).

/1Н

Средняя длина линии

п

'ср _

'ср =— (4)

п

Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению линий сети гэ200 при 20° С, где - сечение ьй линии, мм2; 31,3 / - сопротивление 1 м алюминиевой линии сечением ^ при 20°С, Ом/м [9; 10].

Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий сети

п

к3г

I к2

К2 = ^ ( (5)

3 п

где К^ ■ = - коэффициент загрузки i - й линии; I- ток в i - й линии, А; 1номг -

/ 1 номг

номинальный ток в линии 8} -го сечения, А.

Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных сетей, в том числе и ответвлений от шинопровода, вычисляем по выражению:

Я = |>э20 ■111 ■+ 0' ОО4(0ж " 20)] +1 гк ] ■ 1/п {6)

0ж = К] (80 -0О) + 0О (7)

где 0ж - температура жилы кабеля; 80 - допустимая температура нагрева жилы кабеля [11].

Затем находим общее сопротивление разветвленной сети с учетом числа шинопроводов:

*об = ( <8>

R3 + /т • Ram

где m - число магистральных линий [12].

Пример расчета покажем для первого шинопровода.

Сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на линиях ответвлениях от шинопровода,

„ 307 „ (349 825 I _ , ^

2 г, = 2--+ 9-I-+- = 281,5мОм

k 100 ^ 35 40

Средняя длина линий, отходящих от шинопроводов по выражению (4):

/ = (2 - 5 + 3-9) /11 = 3,4м

Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению ответвлений гэ20 при20°С (6):

и ^ 2 - 5 + 3 - 9

г^п = 31,3--= 1,5 мОм

э20 9 - 3-10 + 2 - 5 - 50

Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий ответвлений по выражению (5):

2 = 2 - °,722 + °,662 - 9 = 0,46

3 11

Температура жилы кабеля:

еж = 0,46(80 - 20) + 20 = 47,7°С

Если не учитывать температуру окружающей среды е0 по выражению (7):

еж = k\ - 80 = 0,46- 80 = 36,9°С

Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных ответвлений от шинопроводов вычисляем по выражению (3):

гп = (1,1-3,4 - (1 + 0,004 - (47,7 - 20))) - ^ = 0,5 мОм

Сопротивление 1 м шинопровода при 20 °С

52 52

г п =-=-= 0,13 мОм

20 /я 400

Эквивалентное сопротивление шинопровода (2)

-[1 + 0,004 - (57,4 - 20)] +

'эш

0,13 - 33 -1-И + —1-1 2 + — | + 0,5

6 I 11И 11

= 281,5 = 26,7мОм 11

Сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на радиальных линиях, отходящих от шин РУ,

^ „ 307 307 125 68 „ , ^

У г, = 3--+-+-+-= 8,6 мОм

к 320 80 100 100

Средняя длина радиальных линий, отходящих от РУ (5):

/ = 40/4 = 10 м

Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению линий гЭ20 при 20°С , по формуле (6)

4 10

гэ20 = 31,3--= 0,21 мОм

3-10-185 +10 • 35

Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий (5)

,2 3 • 0,822 + 0,722

к2 =-----= 0,63

3 4

Температура жилы кабеля

еж = 0,63(80 - 20) + 20 = 57,8°С

Без учета температуры окружающей среды

еж = к2-80 = 0,63-80 = 50,5°С

Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных ответвлений от шинопроводов вычисляем по выражению (8):

0,21-10• (1 + 0,004• (57,8-20)) „ „ ^

= —---^--—:-» = 2,8 мОм

Э 4

Сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на радиальных линиях, отходящих от шин РУ к шинопроводу 1,

307 125 , _ _

У г, =-+-= 1,08 мОм

^ к 400 400

Затем находим общее сопротивление разветвленной сети с учетом числа шинопроводов:

Яэ - У -Яэш 2,8- у. -97,2 Яоб = э и = , \4/ = 2,49 мОм об Яэ + У -Яэш 2,8 + У. -97,2 э /т эш /4

Электрическая нагрузка участка механического цеха имеет переменный характер, поэтому потери мощности и электроэнергии в линиях зависят от изменения нагрузки. Суточный график электрических нагрузок участка механического цеха показан на рис. 1 и 2. В связи с этим, потери электроэнергии будем рассчитывать по величине среднеквадратичного тока 1СК, который представляет собой эквивалентный ток , проходящий по линии за интервал времени Т и вызывает те же потери мощности и электроэнергии, что и действительный изменяющийся за то же время ток.

Вестник КГЭУ, 2019, № 4 (44)

Р. кВт | 1000 ■ чо(( -800 -701) -(.ПО -500 -

■too ■

300 -

200 ■

too

о I о

Рис. 1. Суточный график нагрузок электроприемников механического цеха: 1 - кран; 2 -токарные станки; 3 - фрезерные станки; 4 - вентиляторы; 5 - компрессоры

Р, кВ i 2000 1800 16*0 1-100 ] 200 1ПП0 800 б«о

40* 200

« -,-.--------.-,-,--,

О 2 4 6 8 14 12 14 14 18 20 ч

Рис. 2. Общий суточный график электрических нагрузок механического цеха Среднеквадратичный ток 1СК находим по среднему току 1СР

т2 23 • 70,172 + 24 • 23,222 + 3 • 254,132 + 4 • 97,712 . 1СК =---------= 4928,04 А

СК 53 ,

1СК 4928,04 = 70,2 А Потери электроэнергии за 12-часовой рабочий день находим по выражению (1): АЖ = (3 • 2,49 • 70,22 • 12) /1000 = 441,5 кВт • ч.

Полученные результаты представлены в табл. 2, где также указана погрешность определения потерь электроэнергии без учета таких параметров, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов, температура окружающей среды.

Таблица 2

Погрешность определения потерь электроэне ргии механического цеха

Режим определения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения механического цеха Яз, мОм Яэш, мОм Rоб, мОм W, кВтч 5р, %

с учетом всех параметров сети 2,8 21,1 1,93 441,5

без учета сопротивления контактных соединений 0,61 1,2 0,31 21,3 95,2

без учета нагрева шинопроводов и кабельных линий 2,65 21,87 1,89 424,3 3,8

без учета температуры окружающей среды 2,76 22,46 1,95 440,5 0,2

Выводы

В результате проведенных исследований проанализированы системы цехового электроснабжения на примере участка механического цеха, где были учтены следующие конструктивные и эксплуатационные характеристики: длина, сечение, количество коммутационных аппаратов, установленных на линии, нагрузка и коэффициент загрузки линии.

Определены потери электроэнергии для участка механического цеха с учетом нагрева проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов, температура окружающей среды.

Произведенные расчеты приводят к результатам, которые указывают на то, что существует необходимость учета сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях, в противном случае величина потерь становится сильно заниженной и погрешность вычислений доходит до 95% (табл. 2). Влияние других факторов на погрешность вычислений проявляется незначительно.

Литература

1. Егоров Е.Г. Испытания и исследования низковольтных коммутационных электрических аппаратов. Чебоксары.: Чувашский университет. 2000. 448 с.

2. Штремберг Т.К., Белозерова Н.А, Гартманова И.С. Оценка величины сопротивления контактов с использованием гамма-распределения // Вопросы радиоэлектроники. Техника проводной связи. 1969. №3. С. 54-62.

3. Шевченко В.В., Грачево Е.И. Определение сопротивления контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. 2002. №1. С.42-43.

4. Герцбах И.Б., Кордонский Х.Б. Модели отказов. М.: Советское радио, 1966. 165 с.

5. Колемаев В.А., Калинина В.Н. Теория вероятностей и математическая статистика. 2 изд. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. 352 с.

6. Федоров, О.В., Сарваров А.С., Петушков М.Ю. Электромагнитная совместимость пусковых устройств для электроприводов переменного тока с питающей сетью // Научные труды Винницкого национального технического университета. 2015. №4. с. 18-21.

7. Грачева Е. И., Сафин А. Р., Садыков Р. Р. Применение аналитического метода расчета надежности элементов систем электроснабжения на основе вероятностных моделей // Надежность и безопасность энергетики. 2017. № 1. с. 48-52.

8. Грачева Е. И.,Садыков Р.Р. Формирование моделей оценки эксплуатационной надежности систем внутризаводского электроснабжения // Вести высших учебных заведений Черноземья. 2017. № 1 (47). С. 27-38.

9. Gracheva E.I., Naumov O.V. Evaluation criteria of contact group technical state concerning electrical appliances // Journal of engineering and applied sciences. (special issue 1). 2016. p.26763-26770,

10. Ahmed A., Rashid A. Analysis of Weather Forecasting Model in PRISM. // In the 12th International Conference on Frontiers of Information Technology (FIT). 2014. pp. 355-360.

11. Ling W, Liu D. A distributed fault localization, isolation and supply restoration algorithm based on local topology // International Transactions on Electrical Energy Systems. 2015. №25. pp. 11131129.

12. Ahonen, T., Orozco, S., Ahola, J. Effect of electric motor efficiency and sizing on the energy efficiency in pumping systems // In Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Applications. Karlsruhe, Germany: ECCE Europe, 5-9 September 2016. pp. 1-9.

Авторы публикации

Грачева Елена Ивановна - д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Казанский государственный энергетический университет.

Горлов Алексей Николаевич - канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой электроснабжения Юго-Западный государственный университет.

Алимова Алсу Нюрхайдаровна - магистрант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Казанский государственный энергетический университет.

References

1. Egorov EG. Tests and studies of low voltage switching electrical apparatus. Cheboksary.: Chuvash. University, 2000.448 p.

2. Shtremberg TK, Belozerova NA, Gartmanova IS. Estimation of the contact resistance using gamma distribution. Questions of radio electronics. Wired communication technology. 1969;3:54-62.

3. Shevchenko VV, Gracheva EI. Determination of the resistance of contact connections of low voltage switching devices. Promyshlennaya energetika. 2002;1:42-43.

4. Herzbach IB, Kordonsky H.B. Failure Models. M : Soviet Radio, 1966. 165 p.

5. Kolemaev VA, Kalinina VN. Theory of Probability and Mathematical Statistics. 2nd ed. M.: UNITY-DANA, 2003. 352 p.

6. Fedorov OV, Sarvarov A.S., Petushkov M.Yu. Electromagnetic compatibility of starting devices for AC electric drives with a power supply network. Scientific works of Vinnitsa National Technical University. 2015;4:18-21.

7. Gracheva EI, Safin AR, Sadykov RR. Application of an analytical method for calculating the reliability of elements of power supply systems based on probabilistic models. Reliability and Safety of Energy. 2017;1:48-52.

8. Gracheva EI, Sadykov RR. Formation of models for assessing the operational reliability of the systems of internal power supply. News of the higher educational institutions of the Black Earth Region. 2017;1(47):27-38.

9. Gracheva EI, Naumov O.V. Evaluation criteria for a group of technical conditions for electrical appliances. Journal of engineering and applied sciences. №11 (special issue 1).2016;11:26763-26770.

10. Ahmed A, Rashid A. Analysis of Weather Forecasting Model in PRISM. In the 12th International Conference on Frontiers of Information Technology (FIT). 2014. pp. 355-360.

11. Ling W, Liu D. A distributed fault localization, isolation and supply restoration algorithm based on local topology. International Transactions on Electrical Energy Systems. 2015;25:1113-1129.

12. Ahonen T, Orozco S, Ahola J. Effect of electric motor efficiency and sizing on the energy efficiency in pumping systems. In Proceedings of the International Conference on Power Electronics and Applications. Karlsruhe, Germany:ECCE Europe, 5-9 September 2016. pp. 1-9.

Authors of the publication

Elena I.Gracheva - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.

Alexey N. Gorlov - The Southwest State University, Kursk, Russia.

Alsu N. Alimova - Kazan State Power Engineering University, Kazan, Russia.

Поступила в редакцию 17 мая 2019г.