CC BY
40
УДК 621.316.72
Кирисов Игорь Геннадьевич, ассистент кафедры электроэнергетики. Украинская инженерно-педагогическая академия, г. Харьков, Украина. Ул. Университетская 16, г. Харьков, Украина, 61003, E-mail: kirisovuipa1980@mail.ru
СОКРАЩЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РАСХОДА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ЭЛЕМЕНТАХ
СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
В статье рассматриваются вопросы сокращения технологического расхода электроэнергии в элементах системы электроснабжения промышленных предприятий: трансформаторах и двигателях. Предложены способы снижения технологического расхода электроэнергии в трансформаторах и двигателях с целью экономии электроэнергии.
Ключевые слова: система электроснабжения предприятий, трансформатор, асинхронный электродвигатель, потери электроэнергии, снижение потерь электроэнергии.
Юрков 1гор Геннадшович асистент кафедри електроенергетики. Украшська шженерно-педагопчна академiя, м. Харшв, Украша. вул. Ушверситетська 16, м. Харшв, Украша, 61003, E-mail: kirisovuipa1980@mail.ru
СКОРОЧЕННЯ ТЕХНОЛОГ1ЧНИХ ВИТРАТ ЕЛЕКТРОЕНЕРГИ В ЕЛЕМЕНТАХ СИСТЕМИ
ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ
У статтi розглядаються питання скорочення технологiчних витрат електроенергИ в елементах системи електропостачання промислових тдприемств: трансформаторах та двигунах. Запропоновано способи зниження технолог1чноЧ витрат електроенергИ в трансформаторах i двигунах з метою економИ електроенергИ.
Ключовi слова: система електропостачання тдприемств, трансформатор, асинхронний електродвигун, втрати електроенергИ, зниження втрат електроенергИ.
Kirisov Igor Gennadievich, assistant of department of electroenergy. Ukrainian engineer-pedagogical academy, Kharkov, Ukraine. Str. Universitetskaya 16, Kharkov, Ukraine, 61003, E-mail: kirisovuipa1980@mail.ru
THE REDUCTION OF THE TECHNOLOGICAL CONSUPTION TO ELECTRIC POWERS IN
SYSTEM ELEMENT OF SUPPLY
In article are considered questions of the reduction of the technological consuption to electric powers in system element of supply industrial enterprise: transformer and engine. The Offered ways of the reduction of the technological consuption to electric powers in transformer and engine for the reason spare elektroenergii.
Keywords: system of supply enterprise, transformer, anisochronous electric motor, loss to electric powers, reduction of the losses elektroenergii.
Введение
На сегодняшний день актуальной задачей современной отечественной электроэнергетики является экономное расходование электроэнергии, при передаче которой от источника к потребителю происходят потери в трансформаторах, ЛЭП, электроприводах технологического оборудования и др.
Основным способом достижения наиболее эффективных результатов в решении этой задачи является разработка и широкое внедрение энергосберегающих технологий в промышленном производстве.
Основная часть
Технологический расход электроэнергии (потери электроэнергии) в настоящее время составляет в пределах 13 % суммарного поступления электроэнергии в сеть. Снижение этой величины всего на 1 % дает в масштабах страны экономию миллионов кВт-ч. Получение этой экономии - вполне реальная задача, но для этого в каждом узле энергосистем, от источников до потребителей, необходима реализация уже имеющихся теоретических и практических наработок по снижению технологического расхода электроэнергии (ТРЭ).
Расчет технологического расхода мощности и электроэнергии в трансформаторах
Передача мощности в трансформаторах сопровождается потерями в активном и реактивном сопротивлениях обмоток, а также потерями, связанными с гистерезисом, вихревыми токами и намагничиванием стали.
Активная составляющая суммарных потерь мощности в трансформаторе, кВт:
АРт= (Р22 +0 22) Л Т/ и22пр^т =АР+АРХ, (1)
где Я т - активное сопротивление трансформатора, Ом;
Р2 - активная составляющая суммарной мощности, отдаваемой трансформатором в сеть, кВт;
Ог - индуктивная составляющая мощности, отдаваемая трансформатором в сеть, квар;
ДР - потери активной мощности на нагревание обмоток трансформаторов, кВт;
gТ и вТ - проводимости, определяющие активную и реактивную слагающие намагничивающего тока трансформатора (1х), кСм;
ДРх - потери активной мощности в стали трансформатора, кВт;
и2пр= и2 /Кт - приведенная величина вторичного напряжения, кВ;
КТ - коэффициент трансформации.
Реактивная составляющая суммарных потерь мощности в трансформаторах, квар:
А0т=р22 +0 22)-Хт/и22пр+ и22првт =А0 + А0хх, (2)
где X Т - сумма индуктивного сопротивления рассеяния первичной обмотки и приведенного к ней индуктивного сопротивления вторичной обмотки, Ом.
X т = X 1т + X 2т(и1/и2)2
ДОхх - потери реактивной мощности на намагничивание, квар.
При отсутствии значений действительных напряжений на зажимах трансформаторов, в расчетах принимают номинальные напряжения и паспортные данные трансформаторов. При номинальных нагрузках трансформаторов:
Откуда
АРк.з. 3 1 homr m
R m АРк.з./ 3 I ном АРк.з ' U hom/s h
При любой другой нагрузке:
ДР = 3I2 R т -, тогда АР/АРк.з.= 3I2/3 I2hom =S2/ S2h
Отсюда: ДР =ДРк.з (S/Shom.)2. Суммарные потери активной мощности:
АРт =АРк.з (S/ShoM)2 + АРХХ . (3)
Реактивное сопротивление ХТ трансформатора с использованием паспортных данных определяют:
Хт= Uk..,-U2hom/100 Shom , (4)
а AQt= Uk.3-S2/100 Shom+AQxx , (5)
или ДQт= Uk.3 /100 (S/S ном.7 >->ном +ДQxx, а при номинальной нагрузке:
AQt.hom. = Uk.3• Shm/100 + AQxx, (6)
а при произвольной нагрузке:
AOt=AOt.hom(S/Shom)2 + АОхх- (7)
При параллельной работе трансформаторов их эквивалентное сопротивление уменьшается, а потери в стали и потери на намагничивание (потери х.х.) увеличиваются. При параллельной работе n одинаковых трансформаторов, нагрузка каждого трансформатора
составит S/n, а потери во всех трансформаторах будут в n раз больше:
АРЪт =n[APK.3(S/nSHOM)2 + АР** ], или АРТТ =АРк.з (S/SHoM.)2/n+nAPxx (8)
и AQYJ= UK.3. (S/ShoM)2- Shom /100n+nAQxx. (9)
При изменении нагрузки трансформаторов изменяется напряжение на зажимах трансформаторов. При повышении напряжения (сбросе нагрузки) на AU потери мощности в сопротивлениях трансформаторов снижается, а в их магнитопроводах - увеличиваются пропорционально квадрату напряжения.
Потери х.х. в трансформаторах зависят от подводимого напряжения, а нагрузочные потери АР определяются коэффициентом нагрузки К3 и пропорциональны потерям мощности при к.з. АРкз.
Технологический расход мощности и электроэнергии в электрических сетях
0,4-10кВ и электродвигателях
Протяженность распределительных сетей напряжением 0,4-10 кВ составляет примерно 60 % протяженности всех электросетей страны. Устойчивая неравномерность суточного графика электрических нагрузок приводит к ущербу от нестабильности напряжений в узлах нагрузки, от возникающих при этом отклонений напряжения, достигающих в отдельных случаях таких размеров, что исключение их может окупить любые средства, затрачиваемые на регулирование напряжения.
Поэтому реализации мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях 0,4-10 кВ необходимо уделять особое внимание.
Снизить потери в токоведущих частях (ТВЧ) возможно путем изменения топологии сети - переходом на систему глубокого ввода (ГВ) с дроблением ПС 10/0,4 кВ в целях снижения протяженности сетей 0,38 кВ; преимущественным использованием блочных схем (БТМ) и бесшинных ПС магистральных схем питания группы цеховых трансформаторов; перспективным переводом внутризаводских и внутрицеховых сетей на более высокие уровни напряжения.
Наиболее низкого уровня потерь можно достичь за счет внедрения (в процессе реконструкций СЭС 1111) самонесущих изолированных проводов (СНП). Зарубежный опыт (Финляндия) свидетельствует о чрезвычайной эффективности использования СНП (более 80 % низковольтных сетей) - потери в этих сетях составляют примерно 4 % отпущенной электроэнергии.
Общие потери в кабельных линиях напряжением 0,4 кВ при рабочей температуре 65 °С определяют по выражению:
АРкл=3 К2ф12ср Rэк (1+0,18- 12ср //2дл.тД кВт (10)
где Кф - коэффициент формы графика потребления активной энергии, рассчитываемый в зависимости от неравномерности графика:
при Кнеравн.=0,8-0,9 , Кф=1,01;
при Кнеравн =0,6-0,7 , Кф=1,03;
1ср. - среднегодовое значение токовой нагрузки;
1мах. - максимальная токовая нагрузка годового графика по продолжительности;
Rэ - эквивалентное сопротивление всех отходящих линий от шин ТП, определяемое по выражению:
Дл ЕГГко
где - сумма проводимостей всех отходящих линий от ТП.
Потери в электрических сетях внутризаводского электроснабжения могут быть рассчитаны по формуле:
АРЛ. =1,1 п-р 12ср Ь/ц 10-3 ,кВт (11)
где 1,1 - коэффициент, учитывающий сопротивление переходных контактов;
п - число фаз линии;
р - удельное сопротивление материала провода Оммм2/м;
1ср - среднее значение тока нагрузки, А;
Ь - длина линии, м;
- сечение провода, мм2
Анализ формулы (11) дает возможность убедиться в эффективности мероприятий по внедрению принципа глубоко ввода и дробления ПС, повышению напряжения во внутризаводской сети, а также увеличению сечений ТВЧ (мировая практика по снижению плотности нагрузки в ТВЧ).
Перевод внутризаводской сети на повышенные напряжения обеспечивает экономию электроэнергии, рассчитываемую по выражению:
АЖ ж = 0,003 -р-ЬФ (/^ , (12)
где 1 - расчетный период времени, ч.
Наибольшие затруднения при расчете потерь возникают при оценке потерь в электродвигателях из-за многообразия их установленных мощностей, технологического предназначения, отсутствия режимной информации в процессе их эксплуатации.
Потери мощности в асинхронных (АД) и синхронных двигателях (СД) напряжением 610 кВ определяют по выражению:
АРдв= Рном • [К1(К2з.дв - 1)+1]- (1-Пн)/ Пн , кВт (13)
где Рном,Цн - соответственно номинальные значения мощности и КПД двигателя, применяемые по каталожным данным;
К3(дВ) - среднегодовой коэффициент загрузки двигателя по активной мощности,
Кз.дв.= Рсг /Рном.
К1 - коэффициент разделения потерь двигателя (разделение переменных и постоянных потерь в электродвигателях, учитывающих долю переменных потерь, пользуясь графиком зависимости [2], К1 =/(Рн), рис.1.
Аналогично рассчитывают потери активной мощности в электродвигателях напряжением до 1 кВ. Однако отсутствие метрологического обеспечения, не позволяющего оценить среднегодовой коэффициент загрузки каждого двигателя, допускает принимать в практических расчетах в качестве коэффициента загрузки всех низковольтных двигателей, питающихся от одного трансформатора, коэффициент загрузки этого трансформатора. Тогда потери активной мощности в 1-ом двигателе определяют по выражению:
АРдв= Рн (0 • [К1(0(К2З.ТР - 1)+1]- (1-Пн)/ Пн кВт, (14)
где К1(1) - коэффициент разделения потерь, определяемый в зависимости от номинальной мощности двигателя по графикам 2-21, рис.1
К
Так как нагрузка в сети до 1кВ формируется некоторым (т) числом двигателей различной установленной мощности и с различными КПД, то при расчетах потерь активной мощности в низковольтных двигателях вводится понятие эквивалентной средней номинальной мощности электродвигателей, питающихся от одного трансформатора. Мощность эквивалентного двигателя:
Рщэ) ^ РнпУ
нф>
П,
где £ Рн(1) _ сумма номинальных мощностей электродвигателей, питающихся от одного трансформатора, кВт;
0,66
0,62
0,58
0,54
К1
0,50
250
500
1 2 2'
щ гЩЯ Ш»,
11 1'
15 30 45 60 75 90 105 120 135 ,
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
Рн кВт
Рис. 1 Зона замещения переменной составляющей потерь для асинхронных и
синхронных двигателей
пэф - приведенное (эффективное) число электродвигателей, определяемое по выражению:
т т
пэф-(ЕрЩ1,)2/Ер2т>
1 1 , шт
по номинальной мощности эквивалентного двигателя определяют его КПД (в каталоге). Тогда потери активной мощности всех т двигателей, подключенных к одному трансформатору, определяют по выражению:
АРдв(ТР)= (1-Пн)/ Пн К (К2з(т)- 1)+1]- Р н(э) ' пэф , KВт, (15)
где К1 - коэффициент разделения потерь, определяемый по графику (рис. 1) для эквивалентного двигателя.
Снижение потерь активной мощности в электродвигателях обеспечивается: оптимальной загрузкой двигателей (Кз = 0,7-0,8); ограничением работы двигателей на х.х. (при продолжительности паузы в работе двигателя 1п > 10с предусматривают автоматическое отключение двигателя на х. х.); снижением напряжения на зажимах двигателя (переключением обмоток статора с Д в У - для двигателей 660/380 В, работающих с недогрузом в сетях 0,38); заменой малозагруженных двигателей на двигатели меньшей мощности (при загрузке двигателей меньше 40 % его номинальной мощности). Если загрузка двигателя составляет 45%-65 % его номинальной мощности, то замену двигателя на меньшую мощность необходимо обосновать снижением суммарных потерь активной мощности в заменяемом двигателе по приведенной ниже методике: рассматривают два варианта определения суммарных потерь активной мощности в двигателе при реальной его загрузке (первый вариант) и второй вариант - определении суммарных активных потерь
мощности при замене двигателя меньшей мощности. Сравнение величин этих потерь даст возможность определить целесообразность такой замены.
Суммарные потери активной мощности в двигателе:
АР = [Qxx (1-К2з) + К2з QH] Кэ+АРхх+К'з АРа.н. , кВт, (16)
где Qx=V3 • Ixx-Uh ; Qh= Рн-tgp/Пн ; Кз= Рфакт /Рн.
Исходные данные:
Рн-, Uн ; Лн; С°$фдв; 1хх; АРхх; Рфакт
Прирост потерь активной мощности в электродвигателе при исходной номинальной мощности:
ДРа.= Рн[(1-Пн)/ Пи]' [1/(1 + J )]кВт, (17)
где j= АРхх/[(100-Пн)- АР»];
потери активной мощности на х. х. двигателя:
АРхх=Рн[(1-Пн)/ nd'j/(1 +J )] ,кВт,
где АР хх - исходные данные.
Таким образом, рассчитывают потери активной мощности по исходным данным для двигателей двух сравниваемых мощностей и убеждаются в целесообразности предлагаемых замен.
Выводы
Снижение потерь электроэнергии во внутризаводских сетях достигается мероприятиями, компенсирующими нарушение технологии распределения и потребления электроэнергии, которые вызывают сверхнормативные потери.
Список использованной литературы:
1. Поспелов Г. Е. Потери мощности и энергии в электрических сетях Г. Е. Поспелов, Н. М. Сыч; под ред Г. И. Поспелова. - М.: Энергоиздат. - 1981. - С.20-29.
2. Синьков В. М.Снижение технологического расхода электроэнергии в трансформаторных подстанциях
B. М. Синьков, И. П. Притока, А. А. Омельчук и др . - К.: Техника. 1987. - С.14-15.
3. Жежеленко И. В. Технические и организационные вопросы повышения качества электроэнергии в промышленных сетях / И. В. Жежеленко, А. М. Липский, Г..Л. Багиев //Промышленная энергетика, № 9,1983. -
C. 12-15.
4. Кочкин В. Статические компенсирующие устройства /В. Кочкин// Восточно-Европейский журнал передовых технологий, № 1, 2012. - С. 26 -27.
5. Журавлев Д. В. Экономическая эффективность трансформаторно-реакторного устройства при повышении качества электрической энергии /Д. В. Журавлев // Енергетика та електрифжащя, № 8. - 2013. -
С. 20-21.
References
1. Pospelov G. E. Power and energy losses in electric networks[Poteri moshchnosti i energii v elektricheskikh setyakh] G. E.Pospelov, N. M.Sych; ed G. I.Pospelova.- M .: Energoizdat.1981.- P. 20-29.
2. Sinkov V. M. Snizhenie technological power consumption in the transformer substations[Snizheniye tekhnologicheskogo raskhoda elektroenergii v transformatornykh podstantsiyakh] V. M. Sinkov, I. P. Inflow, A.A. Omelchuk . - K. et al: Tehnika.1987. - P. 14-15.
3. Zhezhelenko I. V. Technical and organizational issues to improve the quality of electricity in industrial networks [Tekhnicheskiye i organizatsionnyye voprosy povysheniya kachestva elektroenergii v promyshlennykh setyakh]/ I..V. Zhezhelenko, A M. Lipsky, G. L. Bagiev // Industrial Energy, № 9,1983. - P. 12-15.
4. Kochkin B. Static compensating devices [Staticheskiye kompensiruyushchiye ustroystva] /V. Kochkin// East European Journal of advanced technologies, № 1, 2012. - P. 26-27.
5. D. V. Zhuravlev. Economic efficiency transformer and reactor unit at improving the quality of electrical energy[Ekonomicheskaya effektivnost' transformatorno-reaktornogo ustroystva pri povyshenii kachestva elektricheskoy energii]. /D. V. Zhuravlev // Energetics that elektrifikatsiya, № 8, 2013. - P. 20-21.
Поступила в редакцию 22.04 2015 г.
