CC BY
204
УДК 621.32
В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия, Тула, ТулГУ), В.С. Косырихин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, [email protected] (Россия. Тула, ТулГУ),
ПОТЕРИ АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРОПИТАЮЩИХ СИСТЕМАХ И ИХ СНИЖЕНИЕ
Рассматриваются вопросы моделирования потерь электроэнергии в системах электроснабжения. Даны мероприятия по их снижению. Ключевые слова: электроснабжение, потери электроэнергии.
Для уменьшения потерь электроэнергии в промышленном производстве существенное значение имеет регулирование активных нагрузок в системах электроснабжения потребителей электроэнергии. Под регулированием электрических нагрузок понимают комплекс целенаправленных мероприятий по сокращению расхода электроэнергии (по экономии электроэнергии) и по выравниванию графиков нагрузки. В результате этих мероприятий существенно уменьшаются потери электроэнергии в системе электроснабжения промышленного предприятия, и появляется возможность при выборе элементов этой системы уменьшить её стоимость и материалоёмкость.
Экономию электроэнергии в промышленном производстве, являющуюся одной из актуальнейших современных задач, можно получить за счёт проведения разнообразных мероприятий, которые условно разделяют на конструкционные, технологические и электротехнические.
Конструкционными называют мероприятия, принимаемые в стадии разработки изделий, выпускаемых промышленностью, а также при их обновлении и усовершенствовании. Они заключаются:
- в уменьшении материалоёмкости изделий, что обеспечивает меньшие энергозатраты при их обработке, сборке, транспортировке и т.д.; сюда относятся, в частности, замена массивных деталей тонкостенными, ребристыми, трубчатыми, облегчёнными, уменьшение габаритных размеров и массы корпуса за счёт более плотного монтажа основных узлов изделия, применение новых, менее материалоёмких принципов конструкции;
- в замене металла синтетическими материалами;
- в замене литых деталей штампованными или сварными;
- в применении точного литья или точной твёрдой (холодной или горячей) формовки вместо обработки резанием.
Такие мероприятия относятся к области машиностроительного, аппаратостроительного или другого производственного проектирования. Однако, как показывает опыт развития промышленности, именно в постоянном совершенствовании и обновлении промышленной продукции
кроются наибольшие резервы уменьшения материало- и энергоёмкости изделий.
Технологические мероприятия преследуют цель уменьшить расход электроэнергии путём рациональной организации производственного процесса. К ним относятся:
- использование вторичных энергоресурсов и отходов производства;
- уменьшение непроизводительных потерь энергии путём усиления теплоизляции, уменьшения трения в механизмах и т.п.;
- уплотнение технологических циклов;
- применение интенсивных технологий (силового и скоростного резания металлов, высокотемпературной термообработки и т.п.);
- формирование механических и тепловых переходных процессов;
- автоматизация технологических процессов в целях обеспечения их оптимального протекания (в частности, применение станков с
числовым программным управлением);
- сокращение межоперационных транспортных перемещений и др.
Эти мероприятия разрабатывают технологические службы
предприятий. Однако общая возможная экономия электроэнергии от внедрения этих мероприятий может оказаться весьма существенной как для предприятия, так и для отрасли в целом. Поэтому их разработку и внедрение проводят с активным участием энергетических служб промышленных предприятий.
Электрические мероприятия в области электроприводов и электротехнологических установок используют не только в производственных установках, но и в системах электроснабжения (например, в установках собственных нужд электростанций и подстанций). Основными считаются следующие:
- обеспечение оптимальной загрузки электродвигателей, трансформаторов и преобразователей; выбор оптимальных типов преобразователей, обладающих максимальным КПД в требуемой области регулирования, а также замена ими ранее установленных преобразователей других типов; сюда, в частности относят применение тиристорного или транзисторного электропривода вместо системы «генератор-двигатель», замену электромашинных преобразователей частоты полупроводниковыми, замену сварочных трансформаторов и генераторов управляемыми полупроводниковыми выпрямителями;
-отключение электродвигателей и преобразователей на время холостого хода (ХХ);
- замену реостатных пуска и регулирования полупроводниковыми;
- замену малозагруженных двигателей и преобразователей менее мощными;
-применение устройств, основанных на использовании сверхпроводимости.
В электрическом освещении экономию электроэнергии получить можно за счёт:
-применения источников света с высокой световой отдачей (энергоэкономичных люминесцентных ламп, натриевых ламп высокого давления и др.);
-внедрения высокочастотных электронных пускорегулирующих устройств;
-автоматического включения, отключения и регулирования освещения;
- уменьшения потерь света путём регулярной очистки световых приборов и световых проёмов помещений, применения светлой окраски светоотражающих поверхностей помещений и т.п.;
- рационального размещения осветительных приборов.
В системах электроснабжения основным способом сокращения потерь электроэнергии является уменьшение реактивных нагрузок. Потери активной мощности в элементе системы электроснабжения от передачи через него реактивной мощности равны:
áPq = OÍR = (1)
Q U2 и2 ' w
где Q - реактивная мощность элемента системы электроснабжения;
R - активное сопротивление;
U2 - напряжение.
Относительное уменьшение потерь при снижении реактивной мощности, называемое коэффициентом снижения потерь или экономическим эквивалентом реактивной мощности, определяют как производную
kQ APq = R = 2Щ( R. (2)
Q dQ 2 Q U2 U2 V 7
С учётом выражения для относительной потери напряжения AU этот коэффициент представляют в виде
kQ ~
2 AUtg (Р2 _ 2 AU tg^2
1 +
Q2 x P2 R
1 tg Р2
R
(3)
где X - индуктивное сопротивление.
В реальных системах электроснабжения коэффициент снижения потерь каждой ступени напряжения с учётом потерь в линиях и трансформаторах (генераторах, преобразователях частоты) находят в зависимости от относительных потерь напряжения, отношения реактивных сопротивлений к активным X/R и отношения реактивной мощности к активной tgф2. Он находится в пределах от 0,02 до 0,05; меньшие значения соответствуют более мощным элементам, у которых активные сопротивления по сравнению с
индуктивными относительно малы, большие значения - к менее мощным элементам (с относительно большими активными сопротивлениями).
В системах электроснабжения реактивная мощность может передаваться от источника до электроприёмника через несколько ступеней трансформации напряжения. В таком случае результирующий коэффициент снижения потерь
к
Q рез
=1 к
(4)
где kQi - коэффициент снижения потерь на I - й ступени трансформации;
п - число последовательных трансформаций напряжения.
На рис. 1 приведены примеры передачи реактивной мощности от генераторов электростанций до электроприёмников. Если электроприёмник питается от шин генераторного напряжения (рис. 1,а), то обычно 0,02 < kQ < 0,04; при питании от электростанций энергосистем возможны три
или более последовательные трансформации (рис. 1, в) и значение kQ доходит до 0,15 или даже 0,2. Следовательно, при питании от
энергосистем снижение реактивных нагрузок даёт существенную экономию электроэнергии за счёт снижения потерь в системе электроснабжения в целом.
п=з Се1
п=0 ©
~ТГ
И 220 кВ\
О
2. -л
^иом
Рис. 1. Примеры передачи реактивной мощности от генераторов местных
электростанций (а, б) или электростанций энергосистем (в) до электроприёмников:
Рис. 2. Потери мощности в трансформаторе (1) и в двух одинаковых параллельно
включённых трансформаторах (2), номинальной мощности Sном в зависимости от вторичной нагрузки S2
Коэффициент снижения потерь, как следует из (2), пропорционален отношению реактивной мощности к активной (tgф) и со снижением
реактивной мощности, следовательно. уменьшается. Так как мероприятия по снижению реактивной мощности связаны с определёнными капиталовложениями, не зависящими от tgф, то потребление реактивной мощности экономически целесообразно снижать не до нуля, а до некоторого оптимального значения tgq>onт, зависящего согласно (3) и (4) от суммарных потерь напряжения и соотношений X элементов, по которым передаётся реактивная мощность. Обычно это оптимальное значение находится в пределах от 0,15 до 0,25.
Экономия электроэнергии за счёт снижения потерь может достигаться также применением замкнутых электрических сетей и параллельным включением трансформаторов, генераторов и преобразователей; при этом необходимо учитывать также потери ХХ этих элементов, вследствие которых подключение дополнительных параллельных элементов становится целесообразным, начиная с некоторой критической нагрузки 5кр. На рис. 2 в качестве примера показана зависимость потерь активной мощности в одном и в двух параллельно включённых трансформаторах в зависимости от их нагрузки (соотношения на рис. 2 соответствуют трансформаторам с номинальной мощностью 1000 кВА). Так как потери в одном трансформаторе равны
АР =АРХ +
е
V ном J
АР
(5)
где АРХ - потери холостого хода;
АРк - потери при короткого замыкания;
5ном - номинальная мощность.
В двух параллельно включённых трансформаторах
АР = 2АР +
'А'
е
V ном J
2 АР
(6)
2
то равенство АР=АР2 имеет место при критической нагрузке
е =
кр
^ном. (7)
АР,
Так, для трансформаторов типа ТМ-1000/35 (5ном=1000 кВА), у которых
АРХ =2,75 и АРк =12,2 кВт, расчёт по (6) даёт 8кр =670 кВА.
Формула (6) действительна и для других элементов системы электроснабжения (генераторов, преобразователей, линий и др.).
Для более точного определения критической нагрузки учитывают
также потери реактивной мощности. Другими словами, в приведенных
формулах и на рис. 2 вместо потерь активной мощности АР учитывают приведённые потери
АР + кй Аб , (8)
где Аб - потери реактивной мощности.
Кроме того, необходимо учитывать расходы, связанные с периодическим подключением и отключением части трансформаторов или других агрегатов. Задача, следовательно, сводится к технико-экономическому сравнению режимов работы многотрансформаторных подстанций или других многоагрегатных энергоустановок.
Кроме снижения потребления электроэнергии важным средством уменьшения расчётных электрических нагрузок является также их выравнивание в течение смены, суток или других периодов времени. Сюда можно отнести:
- обеспечение ритмичной и согласованной работы технологического оборудования в течение смены во избежание тем самым больших колебаний суммарной электрической нагрузки;
- более равномерное и полное использование оборудования в течение суток (переход на многосменную работу);
- при одно- и двухсменной работе смещение начала и конца работы, а также обеденных перерывов цехов и участков между собой;
- перевод части электроприёмников на работу во время суточного или сменного минимума нагрузки;
- покрытие суточных пиковых нагрузок местными источниками электроэнергии (за счёт пиковых электростанций или генераторных агрегатов).
Первые три способа осуществляются в рамках организации производственного процесса цеха или предприятия. При их выборе учитывают возможность лучшего использовавния производственных мощностей, взаимодействующих между цехами и участками, а также социальные факторы.
Электроприёмники, которые переводят на работу во время суточного минимума нагрузки, например, на ночное время, называют электроприёмниками-регуляторами. В качестве таковых обычно выбирают мощные электротехнические производственные или вспомогательные устройства, несущие относительно равномерную нагрузку в течение нескольких (до 10) часов при относительно малой численности или отсутствии обслуживающего персонала, например:
-сталеплавильные или другие электрические печи машиностроительных предприятий;
- теплоаккумулирующие устройства электрического отопления;
- водогрейные устройства с большим запасом воды;
- зарядные агрегаты аккумуляторных электровозов, электрокаров и электромобилей.
Следует отметить, что некоторые из названных электроприёмников находят применение не столько для снижения пиковых нагрузок, сколько для использования дешёвой ночной элетроэнергии и обеспечения экономичной нагрузки энергосистем в ночное время (рис.3).
Я9Щ
шт
6 п 18
Рис. 3. Заполнение ночного Рис. 4. Снижение максимума
минимума суточного графика суточного график активной
активной мощности путём мощности при помощи
использования пиковых электростанций или
электроприёмников- генераторных агрегатов регуляторов
Снижение суточной максимальной мощности (особенно когда она во времени совпадает с максимумом нагрузки энергосистемы) с помощью местных пиковых электростанций или генераторных агрегатов предприятий (рис.4) оказывается эффективным при остром дефиците мощности в энергосистеме, когда другие меры по снижению нагрузок не используют или же они не дают нужного эффекта.
Литература
1. Потери мощности и их снижение. Учебное пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин. Тул. гос. университет. - Тула: Изд-во «Шар», 2002. - 130 с.
2. Проектирование систем внутрицехового электроснабжения промышленных предприятий: Учебн. пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин, Н.М.Меркулов. Тульский гос. университет. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.- 90 с.
3. Проектирование цеховых трансформаторных подстанций: Учебн. пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин, Н.М.Меркулов. Тул. гос. университет. -Тула: Изд-во ТулГУ, 2004.- 100 с.
4. Электроснабжение промышленных предприятий. Учебное пособие. / В.М. Степанов, В.С. Косырихин. Тул. гос. университет. - Тула: Изд-во «Шар», 2002.- 120 с.
