Потери активной мощности в электропитающих системах и их снижение Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.32

В.М. Степанов, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (Россия, Тула, ТулГУ), В.С. Косырихин, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-54-50, eists@rambler.ru (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.