CC BY
82
Рассмотренные теоретические положения нашли свое практическое воплощение в технических решениях, защищенных патентами РФ [2, 3].
На основании проведенных теоретических и экспериментальных исследований сделаны следующие выводы.
1. Прикладная теория энергосбережения является основой энергетического анализа этапов ЭТП и оценки эффективности применяемых ЭСМ.
2. Снижение энергоемкости облучения растений по интегральному потоку обеспечивается как техническим мероприятием — стабилизацией питающего напряжения, так и организационным — соблюдением режимов обслуживания ОбУ. Эффективность отдельных ЭСМ, независимо от их природы, характеризуется соответствующими коэффициентами эффективности.
3. Снижению энергоемкости облучения растений по спектральному составу способствуют аналогичные организационно-технические ЭСМ, критерием эффективности которых является обеспечение требуемого коэффициента спектральных отклонений.
4. Реальным путем учета различий в спектральных характеристиках ламп и изменений по причине старения, отклонений величины питающего напряжения и технологического разброса параметров является компоновка групп ламп с близкими параметрами для эксплуатации в одной ОбУ.
5. Установленная взаимосвязь коэффициента отклонения спектра и энергоемкости процесса облучения растений говорит о том, что мероприятия по обеспечению более точного соответствия спектрального состава применяемых ИС требуемым значениям следует считать энергосберегающими мероприятиями.
Таким образом, изложенные подходы к оценке энергосберегающих мероприятий в ЭТП АПК на основе их энергетического анализа позволяют производить обоснованный выбор наиболее эффективного способа проведения технологического процесса и добиваться максимального энергосбережения [5].
£, ^ отн. ед.
2,0
1,0
0 10 20 К, отн. ед.
б’
Рис. 2. Зависимость энергоемкости £ от величины коэффициента отклонения спектра К
Список литературы
1. Карпов, В.Н. Энергосбережение — начала теории / В.Н. Карпов // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2008. — № 3. — С. 3-5.
2. Пат. 2053644 РФ, МПК6 Л01С9/24, Л01С31/02. Способ искусственного облучения растений в процессе выращивания / С.А. Ракутько. — № 93008935/15; заявл.17.02.93; опубл. 10.02.96.
3. Пат. 2073317 РФ, МПК6 Н05В41/36. Способ питания газоразрядных ламп при облучении растений / С.А. Ракутько. — № 93028234/07; заявл.01.06.93; опубл. 10.02.97.
4. Прикупец, Л.Б. Оптимизация спектра излучения при выращивании овощей в условиях интенсивной светокультуры / Л.Б. Прикупец, А.А. Тихомиров // Светотехника. — 1992. — № 3. — С. 5-7.
5. Ракутько, С.А. Оптимизация электротехнологиче-ских процессов оптического облучения в АПК / С.А. Ракутько // Сб. науч. тр. VI Междунар. науч.-техн. конф.: Проблемы и перспективы развития отечественной светотехники, электротехники и энергетики. — 23-24 окт. 2008. — Саранск: Изд-во Мордовского ун-та, 2008. — С. 129-132.
6. Ракутько, С.А. Система контроля параметров источников света для облучения растений / С.А. Ракутько // Материалы 8-й Междунар. науч.-техн. конф.: Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2008). — 24-25 сент. 2008. — Саратов: СГТУ, 2008. — С. 327-330.
УДК 628.971 (1-22)
Н.П. Кочетков, канд. техн. наук, доцент Т.А. Широбокова, канд. техн. наук
ФГОУ ВПО «Ижевская государственная сельскохозяйственная академия»
обоснование рационального режима питания наружного освещения сельских населенных пунктов
Н
аружное освещение является необходимой в темное время суток. Исходный режим питания
частью благоустройства сельских населен- наружного освещения СНП определяется ос-
ных пунктов (СНП), обеспечивающей безопас- новной системой напряжений 110/35/10/0,38 кВ
ность автомобильного и пешеходного движения и преобладающей схемой электроснабжения сель-
---------------------------- 15
скохозяйственных потребителей, которая выглядит следующим образом: от шин низшего напряжения питающей подстанции (ПС) отходит распределительная электрическая сеть напряжением 10 кВ, к линиям которой подключаются потребительские подстанции (ТП). От потребительской ТП отходит распределительная электрическая сеть напряжением 0,38 кВ для питания коммунально-бытовых и производственных потребителей, а непосредственно от шин низшего напряжения ТП (от фидера наружного освещения) отходит осветительная сеть для питания светильников наружного освещения.
Изменяющаяся в соответствии с укладом жизни сельского населения, технологическим режимом работы предприятий и уровнем естественной освещенности нагрузка электрической сети во многом определяет режим питания потребителей и наружного освещения. В ночные часы суток, в связи с отключением большинства потребителей, уровень напряжения на фидере наружного освещения потребительской подстанции и в осветительной сети возрастает и зачастую превышает номинальное значение на 10 % и выше. Такой режим питания приводит к перерасходу электрической энергии и сокращению срока службы источников света. Кроме того, возрастает освещенность дорог и улиц при минимальной интенсивности пешеходного и автомобильного движения в ночное время суток, что является нерациональным. Требования нормативных документов (СНиП и ПУЭ) по снижению уровня наружного освещения в ночные часы суток для СНП носят рекомендательный характер и по целому ряду причин не могут быть реализованы.
Одним из вариантов улучшения режима питания наружного освещения СНП является применение устройств стабилизации напряжения. В настоящее время выпускаются устройства, автоматически поддерживающие уровень выходного напряжения — стабилизаторы напряжения типа СТС (силовой трехфазный стабилизатор) и аппараты типа ППТТ (преобразователь полупроводниковый тиристорный трехфазный), которые можно использовать для улучшения исходного режима питания наружного освещения. Указанные устройства можно условно отнести к аппаратам, реализующим два способа регулирования напряжения — амплитудный и фазовый (тиристорный). Целесообразность использования достаточно дорогостоящих устройств типа СТС и ППТТ для маломощных установок наружного освещения сельских населенных пунктов требует дополнительных исследований исходного режима питания и обоснования применения указанных устройств. В частности, необходимы: 1) количественная оценка исходного режима питания на-
ружного освещения СНП, возможная при наличии достоверной информации о всех конструктивных и режимных параметрах распределительной сети 10 кВ; 2) учет особенностей работы разрядных ламп типа ДРЛ и ДНаТ с некомпенсированным балластом при фазовой стабилизации питающего напряжения; 3) количественная оценка энергетической и экономической эффективности применения устройств типа СТС и ППТТ для наружного освещения СНП.
Исходный режим питания наружного освещения СНП количественно оценивался с помощью известных статистических моделей нагрузок сельскохозяйственных потребителей — типовых суточных почасовых графиков активной и реактивной мощностей нагрузки потребительских ТП. При этом для анализа закономерностей изменения уровня напряжения в сети наружного освещения использована упрощенная модель электрической сети [1] и типовые графики двух типов: смешанной нагрузки ТП с преобладанием производственных потребителей и смешанной нагрузки ТП с преобладанием коммунально-бытовых потребителей.
Анализ полученных результатов исследования исходного режима питания показал, что преобладающее в условиях эксплуатации диспетчерское регулирование напряжения на шинах 10 кВ питающей ПС в сочетании с устройствами ПБВ трансформаторов потребительских ТП обеспечивает требуемое качество напряжения для основной массы производственных и коммунально-бытовых потребителей, отключаемых в ночное время суток. Однако в часы ночного минимума нагрузки уровень напряжения на фидере наружного освещения потребительской ТП длительно (в течение пяти-шести часов) превышает допустимые нормальные и максимальные отклонения напряжения. Математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение напряжения на фидере наружного освещения в ночное время суток любого сезона года с ростом удаленности (от 0 до 15 км) потребительской ТП от шин 10 кВ питающей ПС увеличиваются соответственно на 2,7...5,0 и 0,1...0,35 % от номинального напряжения 0,38 кВ.
Экспериментальные исследования работы некомпенсированных светильников с лампами типа ДРЛ и ДНаТ при фазовой стабилизации питающего напряжения [2] позволили получить уточненные зависимости потребляемой лампами активной мощности от напряжения сети, которые аппроксимируются следующими выражениями для ламп:
ДРЛ: в диапазоне (1,000.,.1,023)и
АРл «-3,5
Рл
и
(1)
ДРЛ: в диапазоне (1,023...1,114)и„
АР*
Рл
-1,6
Аи
и
ДНаТ: в диапазоне (1,000...1,114)и„
АР!
Р
• -2,2
Аи
и
(2)
(3)
На рис. 1 в безразмерной форме показан характер изменения потребляемой лампами типа ДРЛ активной мощности для исходного режима и режимов питания с амплитудной и фазовой стабилизацией напряжения.
Результаты экспериментальных исследований показали, что режим питания с фазовой стабилизацией напряжения для сети наружного освещения СНП: а) снижает на 20.35 % уровень освещенности в ночные часы суток и сохраняет равномерность уличного освещения, так как остаются включенными все светильники; б) устраняет перенапряжения в осветительной сети, поскольку действующее значение подаваемого на светильники напряжения неизменно и равно номинальному; в) обеспечивает устойчивую работу разрядных ламп высокого давления, так как мгновенное значение подаваемого на лампу напряжения остается больше напряжения перезажигания лампы.
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований проведена сравнительная оценка параметров энергетической эффективности исходного режима и режимов питания с амплитудной и фазовой стабилизацией напряжения для наружного освещения СНП. Установлены зависимости параметров (математического ожидания и среднего квадратического отклонения) удельного расхода электрической энергии на наружное освещение СНП от типа применяемых ламп, характера нагрузки потребительской ТП и ее удаленности от шин 10 кВ питающей ПС по месяцам года и по году в целом. Так, с увеличением удаленности (от 0 до 15 км) потребительской ТП от шин 10 кВ питающей ПС математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение годового удельного расхода электрической энергии для исходного режима питания линейно возрастают соответственно на 322.337 и 1,0__1,8 кВт ч/кВт; для режи-
ма питания с фазовой стабилизацией напряжения математическое ожидание линейно уменьшается на 337.525 кВтч/кВт, среднее
квадратическое отклонение линейно увеличивается на 1,7_1,8 кВт ч/кВт.
Режимы питания с амплитудной и фазовой стабилизацией напряжения являются энергосберегающими в сравнении с исходным режимом питания. Полученные значения годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение (в киловатт-часах на один киловатт установленной мощности светильников) для указанных режимов питания определяются типом применяемого источника света, характером нагрузки потребительской ТП; они возрастают с увеличением удаленности потребительской ТП от шин 10 кВ питающей ПС и хорошо аппроксимируются линейными зависимостями. Режим питания с фазовой стабилизацией напряжения, при прочих равных условиях, характеризуется в 2.2,5 раза большими значениями математического ожидания годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение по сравнению с режимом амплитудной стабилизации напряжения.
Полученные зависимости параметров (математического ожидания и среднего квадратического отклонения) годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение СНП для светильников с лампами типа ДРЛ приведены на рис. 2 и 3. Они аппроксимируются в случае преобладания коммунально-бытовой нагрузки потребительской ТП зависимостями:
Эуд « 871,9 + 55,6Ь; оЭуд ~ 4,41 + 0,119Ь,
(4)
(5)
где Эуд — математическое ожидание годовой удельной экономии электрической энергии, кВт-ч/кВт; аЭуд — среднее квадратическое отклонение годовой удельной экономии электрической энергии, кВт-ч/кВт; Ь — удаленность потребительской ТП от шин 10 кВ питающей ПС, км.
Напряжение сети, отн. ед.
■ От сети
1 Фазовая стаб.
Ампл.стаб.
Рис. 1. Зависимость потребляемой лампами типа ДРЛ активной мощности от напряжения сети для исходного режима питания (от сети) при амплитудной и фазовой стабилизации напряжения
кВт-ч/кВт
Удаленность ТП от шин 10 кВ ПС, км
И Производственная нагрузка Коммунально-бытовая нагрузка
Рис. 2. Математическое ожидание годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение с лампами типа ДРЛ для режима питания с фазовой стабилизацией напряжения
кВт-ч/кВт
Удаленность ТП от шин 10 кВ ПС, км
| □ Производственная нагрузка □ Коммунально-бытовая нагрузка
Рис. 3. Среднее квадратическое отклонение годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение с лампами типа ДРЛ для режима питания с фазовой стабилизацией напряжения
Анализ результатов оценки исходного режима питания совместно с результатами экспериментальных исследований показал, что режим питания с фазовой стабилизацией напряжения позволяет автоматически приспосабливать уровень наружного освещения СНП к интенсивности автомобильного и пешеходного движения в темное время суток [3], т. е. обеспечивает адаптивное регулирование наружного освещения.
18
Сравнительная экономическая эффективность режимов питания с амплитудной и фазовой стабилизацией напряжения и целесообразность применения аппаратов типа СТС и ППТТ определялись по минимальным значениям годовой удельной экономии электрической энергии на наружное освещение. Для этого вероятные значения годовой удельной экономии ЭЭ рассчитывались в виде интервала с верхней границей, равной Эуд + 3оЭ , и нижней границей Э - 3оЭ*.
_ ~ уд
По нижней границе интервала определялось минимальное значение экономии электроэнергии для установок наружного освещения с разной суммарной мощностью за первый и последующие годы, а с учетом тарифа на электроэнергию — прибыль от экономии электроэнергии на наружное освещение. Полученная прибыль сравнивалась со стоимостью аппаратов типа СТС или ППТТ.
Некоторые результаты оценки экономической эффективности исследуемых режимов питания наружного освещения с лампами типа ДРЛ приведены на рис. 4 и 5, где в подрисуночных надписях обозначениям «10 кВт», «16 кВт», ..., «100 кВт» соответствует суммарная номинальная мощность наружного освещения СНП. Номинальной мощности (в киловольт-амперах) аппаратов типа СТС соответствуют обозначения «СТС2М-10», ..., «СТС2М-100». Номинальный ток аппаратов ППТТ (в амперах), указываемый обозначениями «ППТТ-63 -220», «ППТТ-100-220», «ППТТ-160-220», соответствует номинальной мощности аппаратов соответственно 42, 66 и 105 кВА.
Анализ результатов оценки экономической эффективности режима питания наружного освещения с амплитудной стабилизацией напряжения показал, что аппараты типа СТС (от СТС2М до СТС5С) целесообразно применять лишь при суммарной мощности ламп наружного освещения 60.100 кВт, когда их стоимость окупается за 5,5.6 лет за счет экономии электроэнергии на наружное освещение.
к
а
с
я
к
400 000 350 000 300 000 250 000 200 000 150 000 100 000 50 000 0
4 5 6 7 8
Годы эксплуатации СТС2М
Рис. 4. Экономическая эффективность режима питания с амплитудной стабилизацией напряжения от аппаратов типа СТС2М для наружного освещения с лампами типа ДРЛ
Годы эксплуатации ППТТ
■ 5 кВт
■ ППТТ-63-220
■ 10 кВт
■ ППТТ-100-220
20 кВт
ППТТ-160-220
40 кВт
Рис. 5. Экономическая эффективность режима питания с фазовой стабилизацией напряжения от аппаратов типа ППТТ для наружного освещения с лампами типа ДРЛ
Однако для установок наружного освещения СНП суммарная потребляемая мощность в большинстве случаев не превышает двухтрех десятков киловатт. Таким образом, применение аппаратов типа СТС для установок наружного освещения СНП нецелесообразно из-за длительных сроков окупаемости этих устройств и в 2.2,5 раза меньшей годовой экономии электрической энергии по сравнению с аппаратами ППТТ.
Результаты оценки экономической эффективности режима питания наружного освещения с фазовой стабилизацией напряжения, приведенные на рис. 5, показывают, что применение аппаратов ППТТ для установок наружного освещения целесообразно уже начиная с суммарной мощности светильников наружного освещения 10 кВт. При этом срок окупаемости аппаратов ППТТ составляет не более 5.5,5 лет. С увеличением суммарной мощности светильников наружного освещения срок окупаемости ППТТ сокращается. Так, при суммарной мощности наружного освещения 20 кВт срок окупаемости ППТТ не превышает 2,5.2,7 года. Указанный режим питания позволяет в темное время суток автоматически приспосабливать уровень уличного освещения к интенсивности автомобильного и пешеходного движения [3], т. е. адаптивно регулировать потребляемую светильниками наружного освещения активную мощность и световой поток. Таким образом, результаты проведенных исследований позволяют рекомендовать фазовую стабилизацию напряжения как рациональный режим питания установок наружного освещения СНП.
Производственная проверка работы аппарата ППТТ-63-220 в условиях эксплуатации наружного освещения одного из сельских населенных пунктов Удмуртской Республики подтвердила эффективность использования режима питания с фазовой стабилизацией напряжения.
Список литературы
1. Кочетков, Н.П. Оценка уровня напряжения на шинах 0,4 кВ потребительской подстанции / Н.П. Кочетков, Т.А. Широбокова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2006. — № 12. — С. 17-18.
2. Широбокова, Т.А. Результаты исследования электрического режима светильников наружного освещения при работе от тиристорного стабилизатора напряжения / Т.А. Ши-робокова // Научное обеспечение реализации национальных проектов в сельском хозяйстве: материалы Всерос. науч.-практ. конф. ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА. — Ижевск: ФГОУ ВПО Ижевская ГСХА, 2006. — Т. 3. — С. 297-300.
3. Кочетков, Н.П. Повышение экономичности работы комплекта «разрядная лампа — индуктивный балласт» в установках наружного освещения / Н.П. Кочетков, Т.А. Ши-робокова // Механизация и электрификация сельского хозяйства. — 2007. — № 6. — С. 14-16.
