CC BY
85
REFERENCES
1. V. V. Elistratov Vozobnovlyaemaya ehnergetika / 3-e izdanie, dopolnennoe [Renewable power generation. 3rd ed.]. Saint Petersburg, Polytechnic Univ. Publ., 2016: 272.
2. Barbara Eldredge, Tesla solar panels and storage wall help Hawaiian island gofossil-free Available at: https://www.curbed.eom/2017/3/10/14876652/t esla-solar-powerpack-hawaii (accessed 23.03.2018)
3. Hornsdale Power Reserve. Available at: https://hornsdalepowerreserve.com.au/overview/ (accessed 23.03.2018)
4. Agafonov D. V., Bobylev A.V., Malyshkin, V. G. Terukov E. I. Vybor ehlektrohimicheskoj
sistemy dlya bufernoj batarei vozobnovlyaemyh istochnikov ehnergii [Selection of electrochemical system for buffer battery of renewable energy sources]. Sbornik trudov rossijskoj konferencii "Fiziko-himicheskie problemy vozobnovlyaemoj ehnergetiki" [Proc. Rus. Conf. "Physicochemical Problems of Renewable Energy Generation"]. Saint Petersburg, 2017
5. M. Skyllas-Kazacos, R. G. Robins. The All Vanadium Redox Battery. US Patent No. 849 094, 1986.
УДК 631.152 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10029
ОЦЕНКА КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ У СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ
ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
В.Н. Судаченко, канд. техн. наук; А.Ф. Эрк, канд. техн. наук;
Е.В. Тимофеев канд. техн. наук; В.А. Размук
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства» (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
За последнее время в сельскохозяйственных предприятиях наблюдается значительный рост производства. Электрооборудование и технологии с его использованием постоянно совершенствуются. Применение современного дорогостоящего оборудования предъявляет свои требования к качеству электрической энергии и схемам электроснабжения. Сельские потребители имеют небольшие, но разные по значению мощности нагрузки, которые удалены одна от другой на большие расстояния даже в пределах одного хозяйства. К любой точке электрической сети может быть присоединено большое число потребителей с самыми разнообразными характеристиками. Питание мелких нагрузок, как правило, осуществляется от маломощных однофазных трансформаторных подстанций. Схемы электроснабжения сельских потребителей, их структура и режим работы имеют особенности, которые снижают качество электроэнергии и увеличивают ее потери. Виновниками ухудшения качества электроэнергии могут быть как энергоснабжающая организация, так и потребители. Показатели качества электрической энергии регламентируются ГОСТ 32144-2013. Экспериментальные исследования указанных показателей проводили в одном из хозяйств Ленинградской области с применением прибора «Энерготестер ПКЭ» в течение месяца. Анализ построенных по результатам измерений графиков показал, что электрическая нагрузка имела эпизодический характер, допустимая разница значений силы тока
33
Технологии и технические средства механизированного производства продукции
_растениеводства и животноводства_
между фазами на трансформаторных подстанциях не превышала 15%, что соответствовало допустимым нормам. Коэффициент мощности в обследуемых трансформаторных подстанциях колебался от 0,5 до 1,0, так как основными потребителями были асинхронные двигатели с частыми пусками и небольшой по времени продолжительностью работы. Для увеличения его значения рекомендуется установить компенсирующие установки реактивной мощности. На основании выполненных измерений можно сделать заключение, что электрические сети в обследованном хозяйстве находятся в удовлетворительном состоянии, эксплуатируются квалифицированным персоналом и удовлетворяют действующим нормам и правилам эксплуатации.
Ключевые слова: электрическая энергия; качество; показатель.
QUALITY ASSESSMENT OF ELECTRIC POWER ON AGRICULTURAL CONSUMING ENTERPRISES
V. N. Sudachenko, Sc. (Engineering); A. F. Erk, Sc. (Engineering);
E. V. Timofeev, Sc. (Engineering); V. A. Rasmuk
Institute for Engineering and Environmental Problems in Agricultural Production (IEEP) - branch of FSBSI FSAC VIM, Saint Petersburg, Russia
In recent years, agricultural enterprises have demonstrated a significant increase in production. Electrical equipment and, consequently, technologies, which make use of it, are constantly being improved. Application of expensive modern equipment imposes special requirements for the quality of electricity and power supply schemes. Rural consumers have small, but different in terms of power capacity, energy receivers, which are located at a long distance from one another even within the same farm. A large number of consumers with a wide variety of characteristics may be connected to any point of the electrical network. The power supply of small receivers is usually provided by low-capacity single-phase transformer substations. The power supply schemes of rural consumers, their structure and operation modes have specific features, which reduce the quality of electricity and increase its loss, with the responsible being both the energy supply organisation and consumers. Indicators of electric energy quality are specified in the State Standard GOST 32144-2013. One-month experimental study of these indicators was carried out in one of the farms in Leningrad Region with the use of special energy test set. Analysis of the measurement-based graphs showed that the electric load had a discontinuous character, the permissible difference in the current between the phases in the transformer substations did not exceed 15%, which complied with the accepted norms. Electrical power factor in the surveyed transformer substations ranged from 0.5 to 1.0, since the main consumers were asynchronous motors with frequent starts and a short running time. To increase the value of this factor, installation of the reactive power compensating units is recommended. The measurements made verify that power networks on the farm are in a satisfactory condition; they are operated by the qualified personnel and meet the applicable standards and operation rules.
Key words: electric energy; quality; indicator.
Введение
За последнее время в
сельскохозяйственных предприятиях
наблюдается значительный рост
производства [1]. Вопросам
энергосбережения и повышения
энергоэффективности уделяется все больше внимания [2]. Электрооборудование и технологии с его использованием постоянно совершенствуются. Использование
дорогостоящего современного оборудования предъявляет свои требования к качеству
электрической энергии и схемам электроснабжения. Кроме того, всё больше возрастает потребность использования электронных приборов, компьютеров и устройств у которых повышенные требования к качеству электрической энергии.
Электроснабжение сельских
потребителей отличаются от
промышленных тем, что промышленные потребители в основном трехфазные и питаются от кабельных сетей, а сельские потребители питаются от воздушных разветвленных электрических сетей. Сельские потребители имеют небольшие, но разные по значению мощности, нагрузки, которые удалены одна от другой на большие расстояния даже в пределах одного хозяйства [3]. К любой точке электрической сети может быть присоединено большое число потребителей с самыми разнообразными характеристиками. Питание мелких нагрузок как правило осуществляется от маломощных однофазных трансформаторных подстанций[4].
Современные комплексы крупного рогатого скота, птицефабрики, свинофермы и т. п. можно считать как предприятия по производству сельскохозяйственной
продукции на промышленной основе. Схемы электроснабжения этих комплексов по сложности похожи на схемы промышленных предприятий.
Для сокращения протяженности сельских распределительных сетей возможно применение разветвленных радиальных сетей, где площадь сечения проводов и токовые нагрузки в начале выше, чем в конце. При этом существенно различаются между собой значения напряжений в различных точках сети, что влияет на качество напряжения в сельских сетях.
Технологический процесс
сельскохозяйственного производства имеет свои особенности, которые приводят к
повышенным нагрузкам в утренние и вечерние часы, резким снижениям их в дневное время и почти отсутствию ночью. Например, на животноводческих фермах во время утренней и вечерней доек раздают корм и кормят животных, убирают навоз, обрабатывают животных, моют посуду и т. п. При этом на производственную (силовую) нагрузку дополнительно добавляется осветительная нагрузка производственных помещений и жилого сектора хозяйств [5].
Однофазная осветительная нагрузка приводит к неравномерности токов по фазам и искажению в них напряжения. Однофазные силовые потребители (электронагреватели, сварочные трансформаторы, электродрели, бытовые электронасосы, , электроплиты и т. п.), которые влияют на асимметрию напряжения по фазам. При относительно малой мощности силовых трансформаторов, питающих сельские потребители, при значительной неравномерности нагрузки по фазам происходит искажение линейных напряжений на клеммах потребителей [6].
Таким образом, схемы
электроснабжения сельских потребителей, их структура и режим работы имеют особенности, которые снижают качество электроэнергии и увеличивают ее потери.
Материал и методы
Показатели качества электрической энергии (ГОСТ 32144-2013): отклонение частоты— разность между фактическим и номинальным значениями, усредненная за 10 мин. Допускается отклонение частоты ±0,1 Гц в номинальном режиме, а временно ±0,2 Гц; колебания частоты— разность между наибольшим и наименьшим значениями частоты при достаточно быстром ее изменении (не менее 0,2 Гц/с). Допускается колебание частоты не более 0,2 Гц сверх отклонения частоты;
отклонение напряжения— разность между фактическим и номинальным значениями
напряжения за длительный промежуток времени. Отклонение нормируется на зажимах электродвигателей в пределах — 5... +10%, остальных электроприемников ±5%. Допустимо отклонение напряжения на зажимах электродвигателей — 7,5... +10%, на зажимах остальных электроприемников ±7,5%.
колебания напряжения— кратковременные и частые отклонения напряжения. Для осветительных ламп и радиоприборов допустимые значения колебаний нормируют в зависимости от частоты колебаний. Например, при шести колебаниях в час их значение не должно превышать 2% сверх допустимого отклонения напряжения; несинусоидальность формы кривой напряжения— отношение действующего значения напряжения всех высших гармоник к действующему значению напряжения основной гармоники. Это отношение должно быть не более 0,05;
смещение нейтрали — отношение напряжения нулевой последовательности к фазному напряжению прямой
последовательности. Должно быть не более 5%;
несимметрия напряжений — отношение напряжения обратной последовательности к прямой.
Экспериментальные исследования
показателей качества электрической энергии проводили в одном из хозяйств Ленинградской области с применением прибора «Энерготестер ПКЭ» в течение месяца.
Результаты и обсуждения
Качество электроэнергии, поставляемой сельхозпредприятиям гарантирующими поставщиками, оговорено в договорах на энергоснабжение и должно отвечать ГОСТ 13109-97[14]. В табл. 1 приведены наиболее вероятные виновники ухудшения качества электроэнергии [7].
Таблица 1
Показатели и наиболее вероятные виновники ухудшения КЭ
Свойства электрической энергии Показатель качества электроэнергии Виновники ухудшения качества электроэнергии
Отклонение напряжения, рис. 1 Установившееся отклонение напряжения ¿иу Энергоснабжающая организация
Колебания напряжения, рис. 1 Размах изменения напряжения ¿и Доза фликера Рг Потребитель с переменной нагрузкой
Несонусоидаль-ность напряжения рис. 1 Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Ки Потребитель с нелинейной нагрузкой
Коэффициент п -й гармонической составляющей напряжения Кщп)
Несимметрия трехфазной системы напряжений Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К2и Потребитель с несимметричной нагрузкой
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К0и
Отклонение частоты Отклонение частоты - / Энергоснабжающая организация
Провал Длительность провала Энергоснабжающая организация
напряжения, рис. 1 напряжения
Как следует из табл. 1 у потребителей появились новые электроприемники (тиристорные системы управления электродвигателями,
электронагревательными и облучательными установками, электросварочная техника и др.), при нарушении режимов которой создаются помехи в электросети[8]. Кроме того, на территории сельхозпредприятий вводится большое количество частных строений, однофазная нагрузка в которых может привести к ассиметрии напряжений.
Отклонение напряжения
1,1 ^2и ном ^2и ном
IV Л 0,9 ^2и ном
Экономические потери от снижения качества электроэнергии несут, в основном, сельхозпотребители. Некоторые негативные влияния отклонения показателей качества электроэнергии от установленных Г0СТ13109-97 на работу электроустановок сельхозпредприятий [9].
На рис. 1 представлены характерные свойства электрической энергии ( отклонение и колебания напряжения, перенапряжение и провал напряжения).
Коленбание напряжения
\
V
^2и ном 1,1 ^2и ном
/ 1 \ ТГ 11 11
\| 1 I
более 1мл более 1мин
Перенапряжение
Провал напряжения
1,1 ^2и ном ^2и ном 0,9 ^2и ном
Рис. 1. Отклонение и колебания напряжения, перенапряжение и провал напряжения
Отклонение напряжения - приводит к Колебания напряжения- приводит к пробою перегреву электродвигателей, выходу из изоляции электрооборудования (может строя пускорегулирующей аппаратуры. привести к электротравматизму людей и
37
животных, быть причиной пожара), перегоранию ламп накаливания и выходу из строя других электроприемников [10]. Несинусоидальность напряжения - приводит к нарушению работы электродвигателей (перегрев, снижение мощности на валу двигателя) и их преждевременному выходу со строя. Несимметрия трехфазной системы напряжений - может привести к перегрузке электродвигателей, трансформаторов даже на холостом ходу, в итоге будет иметь место перерасход электроэнергии и выход со строя электродвигателей. Отклонение частоты в централизованной системе
электроснабжение может быть во время крупных аварий, в децентрализованной системе явление не редкое, приводящее к нарушению скорости работы
электродвигателей. Провал напряжения), импульс напряжения, временное
перенапряжение - могут привести к пробою изоляции электроустановки, привести к электротравматизму людей и животных, быть причиной пожара, привести к перегоранию ламп накаливания и выходу из строя других электроприемников.
На основании произведенных измерений построены графические зависимости, сделаны выводы и даны рекомендации:
-1 —PI. Вт —2- Sr. ВА —1-QI геом , вар
Рис. 2. Усредненные значения полной, активной и реактивной мощностей Из кривых вытекает, что увеличение нагрузки приходится на дневные часы, уменьшение - в ночные часы.
I -I— SA. ВА SB. ЗА -i- SC. ВА |
Рис. 3. Полные значения мощностей по фазам
На рисунке 3 четко прослеживается неравномерность загрузки по фазам: фаза А недогружена. Неравномерность загрузки составляет от 8 до 10% при нормируемой величине 15%, согласно СП-31-110-2003.
Рис. 4. Значение cos ф
Среднее значение cos ф находится в пределах регламентируемой СП-31-110-2003 величины, равной 0,85.
мха
|-1—ЗА.ЗА —ЭВ. ЗА —5С. ЗА~|
Рис. 5. Полные значения мощностей по фазам ТП № 1613
На рисунке 5 четко прослеживается неравномерность загрузки по фазам: фаза А недогружена. Неравномерность загрузки
составляет от 10 до 50% при нормируемой величине 15%, согласно СП-31-110-2003.
На основании анализа графиков можно сказать, что электрическая нагрузка имеет эпизодический характер, допустимая разница значений силы тока между фазами на трансформаторных подстанциях не превышает 15%, что соответствует допустимым нормам.
Угол сдвига между током и напряжением в обследуемых ТП колеблется от 0,5 до 1,0, так как основными потребителями являются асинхронные двигатели с частыми пусками и небольшой продолжительностью работы по времени.
Для увеличения значения cos ф целесообразно установить компенсирующие установки реактивной мощности.
Выводы
1. Современное техническое оснащение сельхозпотребителей предъявляет повышенные требования к качеству поставляемой гарантируемыми поставщиками электроэнергии.
2. Поставка некачественной электроэнергии приводит в нарушениям технологии, перерасходу электроэнергии, выходу со строя современного технологического и электротехнического оборудования, в итоге к огромным экономическим потерям, а для крупных животноводческих и птицеводческих комплексам к экологическим проблемам, связанным с загрязнениями окружающей среды.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Бровцин В.Н., Эрк А.Ф., Бычкова О.В. Сравнительный анализ энергоэффективностисельскохозяйственных предприятий молочного направления // Механизации и электрификации сельского хозяйства. 2014. №5. С. 22-24
2. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н., Бутримова Е.И. Эффективность использования энергоресурсов в сельхозпредприятиях молочного направления // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С.12-19.
3. Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Выбор варианта энергоснабжения объектов сельхозпроизводства по экономическим критериям // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 43-48.
4. Судаченко В.Н., Эрк А.Ф., Тимофеев Е.В., Методика обоснования мощности и выбора оборудования источников аварийного энергоснабжения объектов
сельхозпроизводства // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 57-67.
5. Эрк А.Ф., Судаченко В.Н, Тимофеев Е.В., Размук В.А. Методы повышения эффективности использования электрической энергии в животноводстве // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 89. С.23-32.
6. Эрк А.Ф., Размук В.А. Автоматизированная система стабилизации температуры воздуха в помещении для откорма телят с применением частотных регуляторов. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2015. №86. С.163-169
7. Эрк А.Ф.,Судаченко В.Н. Методы повышения надежности энергообеспечения крестьянских (фермерских) хозяйств. // Технологии и технические средства
механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2016. № 88. С.53-59.
8. Эрк А.Ф., Максимов С.В. Методика оценки эффективности применения частотных регуляторов в составе оборудования гидросооружений. // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2010. № 82. С.87-96.
9. Валге А.М., Волков ВВ., Эрк А.Ф., Эрк Ф.Н. Взаимодействие машин в управляемой
технологической системе. // Механизации и электрификации сельского хозяйства. 1982. №2. С. 15-17
10. Эрк А.Ф., Размук В.А., Ефимова А.Н. Использование энергосберегающих ламп в системах освещения помещений
животноводческого комплекса. // Материалы Международного агропромышленного
конгресса «Перспективы инновационного развития агропромышленного комплекса и сельских территорий». СПб, 2014. С.182-184.
REFERENCES
l.Brovtsin V.N., Erk A.F., Bychkova O.V. Sravnitel'nyj analiz energoehffektivnosti sel'skohozyaj stvennyh predpriyatij
molochnogo napravleniya [Comparative analysis of energy efficiency of dairy farms]. Mekhanizaciya i ehlektrifikaciya sel'skogo hozyajstva. 2014; 5: 22-24.
2. Erk A.F., Sudachenko V.N., Butrimova E.I. Effektivnost' ispol'zovaniya ehnergoresursov v sel'hozpredpriyatii molochnogo napravleniya [Efficiency of energy use in dairy cattle husbandry]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 1219.
3. Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Vybor varianta ehnergosnabzheniya ob"ektov sel'hozproizvodstva po ehkonomicheskim kriteriyam [Selection of power supply options for agricultural production facilities by economic criteria]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 201; 92: 4348.
4. Sudachenko V.N., Erk A.F., Timofeev E.V., Metodika obosnovaniya moshchnosti i vybora oborudovaniya istochnikov avarijnogo ehnergosnabzheniya ob"ektov sel'hozproizvodstva [Method to substantiate the
capacity and equipment options for emergency power supply sources for agricultural production facilities]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2017; 92: 5767.
5. Erk A.F., Sudachenko V.N, Timofeev E.V., Razmuk V.A. Metody povysheniya ehffektivnosti ispol'zovaniya ehlektricheskoj ehnergii v zhivotnovodstve [Methods to increase the efficiency of electric power use in livestock farming]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 89: 2332.
6. Erk A.F., Razmuk V.A. Avtomatizirovannaya sistema stabilizacii temperatury vozduha v pomeshchenii dlya otkorma telyat s primeneniem chastotnyh regulyatorov [Automated system of air temperature control in the calf-fattening house with the use of frequency regulators]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2015; 86:163169
7. Erk A.F., Sudachenko V.N. Metody povysheniya nadezhnosti ehnergoobespecheniya krest'yanskih (fermerskih) hozyajstv [Methods to improve reliability of power supply of private
(peasant) farms]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2016; 88: 53-59.
8. Erk A.F., Maksimov S.V. Metodika ocenki ehffektivnosti primeneniya chastotnyh regulyatorov v sostave oborudovaniya gidrosooruzhenij [Cost-benefit analysis procedure of a frequency regulator application as a component of hydraulic works equipment]. Tekhnologii i tekhnicheskie sredstva mekhanizirovannogo proizvodstva produkcii rastenievodstva i zhivotnovodstva. 2010; 82: 8796.
9. Valge A.M., Volkov V.V., Erk A.F., Erk F.N. Vzaimodejstvie mashin v upravlyaemoj tekhnologicheskoj sisteme [Interaction of
machines in a controlled technological system]. Mekhanizacii i ehlektrifikacii sel'skogo hozyajstva. 1982; 2: 15-17. 10. Erk A.F., Razmuk V.A., Efimova A.N. Ispol'zvanie ehnergosberegayushchih lamp v sistemah osveshcheniya pomeshchenij zhivotnovodcheskogo kompleksa [Application of energy-saving lamps in the lighting systems of livestock houses]. Materialy Mezhdunarodnogo agropromyshlennogo kongressa "Perspektivy innovacionnogo razvitiya agropromyshlennogo kompleksa i sel'skih territorij" [Proc. Int. Agro-Ind. Cong. "Perspectives for innovative development of agro-industrial complex and rural territories]. Saint Petersburg: 2014: 182184
УДК 631.3 DOI 10.24411/0131-5226-2018-10030
МНОГОМЕРНЫЙ СТАТИСТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПЛИВНО-ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ РЕСУРСОВ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ
ЛЕНИНГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
А.М. Валге, д-р техн. наук; А.Ф. Эрк канд. техн. наук
Е.В. Тимофеев канд. техн. наук;
Институт агроинженерных и экологических проблем сельскохозяйственного производства (ИАЭП) - филиал ФГБНУ ФНАЦ ВИМ, Санкт-Петербург, Россия
В статье представлен анализ выборки из двадцати одного хозяйства Ленинградской области по использованию топливно-энергетических ресурсов. Для этого были применены методы математической статистики и многомерные статистические методы. По данным, полученным из хозяйств, определены основные статистические показатели, средние значения, стандартные отклонения и коэффициенты вариации. Анализ показал, что полученные данные имеют значительный разброс, а коэффициенты вариации изменяются от 30 до 65%. Рассчитанная корреляционная матрица указывает на изменение связи между показателями энергопотребления в достаточно широких пределах - от нулевых значений до достаточно больших значений, что говорит о ее сложном характере. На основе использования факторного и дискриминантного анализа определены «скрытые» факторы, влияющие на энергопотребление и распределение хозяйств по группам эффективности использования энергии. Для этого хозяйства были разделены на три группы. Было выявлено, что хозяйства второй группы имеют наибольший объём производства, потребляют наибольшее количество всех видов энергии, и их продукция имеет наибольшую энергоёмкость. Регрессионный анализ влияния факторов на потребление топливно-энергетических ресурсов показал основное влияние таких факторов как энергоемкость, объем производства продукции и количество потребленной электрической энергии. Построены математические модели влияния факторов на
41
