Электрические нагрузки

Электрическая нагрузка характеризует потребление электроэнергии отдельными приемниками, группой приемников в цехе, цехом и заводом в целом. При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий основными являются три вида нагрузок: • активная мощность, • реактивная мощность • ток. Изменение нагрузки во времени можно наблюдать по измерительным приборам и регистрировать самопишущим прибором. В условиях эксплуатации изменение нагрузки по активной и реактивной мощности во времени записывают, как правило, в виде ступенчатой кривой по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии, снятым через определенные интервалы времени . (рис. 3.1). Рис.3.1. Кривая изменений активной, реактивной и токовой нагрузки во времени называется графиком нагрузки соответственно по активной мощности, реактивной мощности и току. Графики нагрузки подразделяются: • на индивидуальные – для отдельных приемников электроэнергии • и групповые – для группы приемников энергии. Индивидуальные графики нагрузок обозначаются строчными буквами: ; групповые графики нагрузок обозначаются теми же, но прописными буквами: Индивидуальные графики необходимы для определения нагрузок мощных приемников электроэнергии. Графики нагрузок всего промышленного предприятия дают возможность определить потребление активной и реактивной энергией предприятием, правильно и рационально выбрать питающие предприятия источники тока, а также выполнить наиболее рациональную схему электроснабжения. По продолжительности различают суточные и годовые графики нагрузок предприятия. Каждое отрасль промышленности имеет свой характерный график нагрузок определяемый технологическим процессом производства. Следует иметь в виду, что вообще графики нагрузок предприятия не является стабильными, а претерпевают постоянные изменения в связи с изменением технологического процесса производства, внедрением новых прогрессивных производственных процессов, изменениями удельного потребления электроэнергии на единицу продукции и.т.п. Рассмотрим более подробно основные типы индивидуальных и групповых графиков нагрузок, характерные для большинство приемников электроэнергии промышленных предприятий. Индивидуальные графики нагрузок Графики нагрузок большинства приемников электроэнергии по причине постоянного повторения производственных операций обладают цикличностью. Следовательно, индивидуальные и групповые графики нагрузок обладают определенной регулярностью в той или иной степени. Изучение любого графика нагрузок осуществляется за некоторое базисное время , равное целому, краткому длительности законченного комплексного технологического цикла данной группы приемников. Приемники в течение этого времени должны работать с наибольшими загрузкой и производительностью. Как правило, принимается равным длительности одной смены. С точки зрения регулярности индивидуальных графиков нагрузок приемников и их режимов графики могут быть подразделены: • на периодические, • цикличные, • нецикличные • нерегулярные. 1. График на рис. 3.2 (а) отвечает строго ритмичному процессу работы с периодом где полное время цикла время работы время остановки Периодические графики характеризует, как правило, поточное и автоматизированное производство Рис.3.2. а) периодический график 2. График на рисунке 3.2 (б) отвечает производству, где периодичность нарушается в основном по причине не постоянства длительностей пауз отдельных циклов, и характеризует непоточное и нецикличное производство. Продолжительность рабочих интервалов и характер соответствующих участков графика остается как правило, практически неизменными. Таким образом, несмотря на неритмичность пауз, существует некоторое так называемая средняя длительность цикла : где число циклов за время . Рис.3.2. б) цикличный график 3. График на рисунке 3.2 (в) отвечает случаю, когда выполняемые агрегатом повторяющиеся операции строго не регламентированы вследствие чего характер графика существенно изменяется и на рабочих участках, причем продолжительность рабочих интервалов, как и пауз, различна: По внешнему виду нецикличный график нагрузок представляется совершенно нерегулярным. Но так как приемники электроэнергии участвуют в выполнении определенного планового производственного задания (например, сменного), нецикличный график подобно цикличному и периодическому характеризуется стабильность величины потребления активной электроэнергии за время цикла группы агрегатов. Рис.3.2. в) нецикличный график 4. График на рисунке 3.2. (г) отвечает редкому случаю нерегулярного режима работы приемника электроэнергии. В этом случае характер графика нагрузки на рабочих участках существенно изменяется, продолжительность рабочих интервалов и пауз различно и условие стабильности потребления электроэнергии не выполняется. Это характеризует случайный технологический процесс: например, гидрозатвора для пропуска воды, разведочное бурение и т.д. Рис.3.2. г) нерегулярный график Групповые графики нагрузок Групповой график нагрузок слагается из индивидуальных графиков нагрузок приемников, входящих в данную группу. Степень регулярности групповых графиков определяется типами индивидуальных графиков и взаимосвязи нагрузок отдельных приемников по технологическому режиму работы. Различают два вида таких взаимосвязей: • между значениями нагрузки данного приемника в различные моменты времени; • между значениями нагрузок двух различных приемников в данный момент времени. По степени регулярности, зависящий от видов индивидуальных графиков и взаимосвязей между нагрузками отдельных приемников, входящих в данную группу, групповые графики подразделяются на три типа: периодические, почти периодические и нерегулярные. 1. Первый тип графика отвечает строго ритмичному процессу производства при дополнительном условии , что когда периодично работающие отдельные приемники жестко связанны общим потоком технологического процесса, в частности комплексной автоматизацией, тогда и длительность периодов всех индивидуальных графиков будет одинаковой и совпадет периодом группового графика. 2. Второй тип графика отвечает в общем случае не поточному производству, если при любых режимах работы приемников, кроме нерегулярного, их групповой непериодический график при установившемся режиме работы удовлетворяет условию обобщенной периодичностью, то есть стабильности расхода электроэнергии: где расход электроэнергии за данный период времени. удельный расход электроэнергии на единицу продукции 3. Третий тип графиков имеет место в редких случаях, когда индивидуальные графики отдельных приемников, входящих в данную группу является нерегулярными, следовательно, не выполняется условия стабильности расхода электроэнергии. Величины, характеризирующие графики электрических нагрузок (ГЭН) Величинами, характеризирующими ГЭН, являются номинальная мощность, средняя, среднеквадратичная, максимальные нагрузки. Номинальная мощность. Номинальная мощность приемников ЭЭ является достаточно достоверной исходной величиной для расчета электрических нагрузок. Номинальная мощность приемников электроэнергии – это мощность, обозначенная на заводской табличке или в паспорте двигателя, силового или специального трансформатора, либо на колбе или цоколе источника света. Под номинальной активной мощностью электродвигателей понимается выраженная в киловаттах мощность, развиваемая двигателем на валу при номинальном напряжении, а под номинальной активной мощностью других ПЭЭ понимается потребляемая ими из сети мощность в киловаттах при продолжительности включения =100% по формулам: где паспортная мощность, в кВт паспортная мощность, в кВА паспортные продолжительности включения приемника. Для трансформаторов электрических печей номинальная активная мощность некоторая условная мощность. где паспортная мощность трансформаторов, кВА коэффициент мощности электропечного трансформатора Для трансформаторов сварочных машин и аппаратов, а. так же для трансформаторов ручной сварки номинальная активная мощность – это некоторая условная мощность, приведенная к продолжительности включения =100% где коэффициент мощности сварочного трансформатора (по паспортным данным). Групповая номинальная активная мощность – это сумма номинальных активных мощностей отдельных рабочих приемников электроэнергии, приведенных к ПВ=100%: Под номинальной реактивной мощностью приемника понимается реактивная мощность, потребляемая из сети или отдаваемая в сеть при нормальной активной мощности и номинальном напряжении. Паспортная реактивная мощность приемников повторно-кратковременного режима приводится к длительному режиму, т. е к ПВ=100%,по формуле Групповая номинальная реактивная мощность - это алгебраическая сумма номинальных реактивных мощностей отдельных рабочих приемников, приведенных к ПВ=100% Номинальные токи определяются аналогично: или При достаточно близких значениях соsн отдельных приемников группы можно принимать: Средние нагрузки. Средние значение изменяющейся величины является ее основной статистической характеристикой, следовательно, постоянные осредненные значения нагрузки характеризуют графики переменных нагрузок. Суммарная средняя нагрузка всех ПЭЭ группы дает возможность приближенно оценить нижний предел возможных значений расчетной нагрузки. Средняя активная и реактивная мощность приемника за любой интервал времени в общем виде определяются соответственно из выражений: для группы приемников: В условиях эксплуатации средние нагрузки рассматриваются за определенный характерный интервал времени (например: за цикл) и определяются по показаниям счетчиков активной и реактивной электроэнергии с помощью следующих выражений: для одного приемника для группы приемников где потребление активной и реактивной электроэнергии соответственно отдельными приемниками или группой приемников. средний за время цикла коэффициент мощности Средняя активная ( или реактивная )мощность группы приемников равна сумме средних активных (или реактивных ) мощностей отдельных приемников входящих в данную группу: Аналогично средняя нагрузка по току группы приемников. Средние нагрузки за другие характерные интервалы времени обозначаются соответствующими индексами, например средняя нагрузка по активной (реактивной) мощности за максимально загруженную смену, среднегодовая нагрузка по активной (реактивной) мощности. Средняя активная или реактивная мощности за наиболее загруженную смену является основной величиной при расчете нагрузок групп приемников. Наиболее загруженной сменой является смена с наибольшим потреблением ээ данной группой приемников, цехом или предприятиям в целом для характерных суток. Характерными считаются сутки, в течение которых потребление электроэнергии примерно равно среднему потреблению электроэнергии за один рабочий день в рассматриваемом периоде (неделя, месяц, год). Среднеквадратичные нагрузки. Групповые квадратичные графики нагрузки , , характеризуются значениями среднеквадратичной нагрузки исходного графика за рассматриваемый период времени. Среднеквадратичные нагрузки в общем виде определяются из выражения: где рассматриваемый период времени. Среднеквадратичная реактивная мощность имеет важное значение для оценки эффекта снижения потерь электроэнергии в сетях при повышении . Максимальные нагрузки. Максимальные значения активной мощности реактивной полной и тока представляет собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени. Максимальные нагрузки характеризуются ожидаемой частотой появления за тот или иной период времени. По продолжительности различают два вида максимальных нагрузок: 1. Максимальные длительные нагрузки различают продолжительности (10, 15, 30, 60, 120мин), определяемые для выбора элементов СЭС по нагреву и расчета максимальных потерь мощности в них; 2. Максимальные кратковременные нагрузки длительностью 1-2 сек, необходимые для проверки колебаний напряжения в сетях, определение потерь напряжения в контактных сетях, выбора плавких вставок предохранителей, (расчета токов срабатывания максимальной токовой) и т.п. Коэффициенты, характеризирующие графики электрических нагрузок. При расчетах и исследовании нагрузок применяются некоторые безразмерные коэффициенты графиков нагрузок, характеризирующие режим работы приемников электроэнергии по мощности или во времени. Коэффициенты графиков нагрузок определяются для индивидуального и группового графика активной, реактивной и полной мощностей и тока. В связи с этим ниже принята следующая система обозначений: 1. Все коэффициенты индивидуальных и групповых графиков обозначаются соответственно строчкой и прописной буквами. 2. Род коэффициента обозначается русской начальной буквой его названия в виде индекса. 3. Все коэффициенты графиков активной мощности обозначаются индексом «а» реактивной мощности – «р», тока «I». Например, означает групповой коэффициент заполнения графика активной мощности. Коэффициент использования. Коэффициент использования является основным показателем для расчета нагрузки. Коэффициентом использования активной мощности приемника или группы приемников называется отношение средней активной мощности отдельного приемника (или группы их) к ее номинальному значению: Для группы приемников, состоящей из подгрупп с разными режимами работы, групповой коэффициент использования активной мощности определяется с достаточным для практических расчетов приближением по формуле: где число подгрупп приемников с разными режимами работы, входящих в данную группу. средняя мощность подгруппы за наиболее загруженную смену; номинальная мощность подгруппы приемников. Значения должны быть отнесены к тому же периоду времени, к которому отнесены средние величины мощности. Для графика по активной мощности (рис.3.1а) средний коэффициент использования активной мощности приемника за смену может быть определен из выражения где -энергия, потребленная приемником за смену . энергия, которая могла бы быть потреблена приемником за смену при номинальной загрузки его в течение всей смены. Аналогично определяются коэффициент использования по реактивной мощности и току. Рис.3.1 а) Индивидуальный график нагрузок по активной мощности Коэффициент включения. Коэффициентом включения приемника называется отношение продолжительности включения приемника в цикле по всей продолжительности цикла . Время включения приемника за цикл складывается из времени работы и времени холостого хода Коэффициентом включения группы приемников или групповым коэффициентом включения называется средневзвешенное значение коэффициентов включения всех приемников, входящих в группу, определяемое по формуле Величина коэффициента включения зависит от характера технологического процесса. Коэффициент включения приемника можно представить и как отношение средней за цикл включенной мощности к номинальной мощности приемника , т.е. Аналогично выражению 3.7б для группового коэффициента включения имеем. Для графика нагрузок по активной мощности, представленного на рисунке 3.1а, коэффициент включения определяется из выражения Коэффициент загрузки Коэффициентом загрузки приемника по активной мощности называется отношение коэффициента использования к коэффициенту включения. Используя выражения (3. 7.б) и (3.1 .б) будем иметь т.е величина равно отношению средней нагрузки к средней включенной мощности . Аналогично выражению (3.10б) коэффициенты загрузки по реактивной мощности и току равны: Групповым коэффициентом загрузки по активной мощности называется отношение группового коэффициента использования к групповому коэффициенту включения т.е. Коэффициент загрузки изменяется с изменением режима работы приемника. Коэффициент загрузки по активной мощности для графика нагрузки по активной мощности (рис 3.1 .а) определяется из выражения Коэффициент формы графика нагрузок. Коэффициентом формы индивидуального или группового графика нагрузок называется отношение среднеквадратичного тока приемника или группы приемников за определенный период времени к среднему значению его за тот же период времени, т.е. Коэффициенты формы, отнесенные к активной и реактивной мощности одного или группы приемников, определяют из следующих выражений: характеризует неравномерность графика во времени, для индивидуального графика нагрузок следует различать значения коэффициента формы: которые связаны зависимостью: Коэффициент формы графика нагрузок группы приемников одного режима работы включаемых независимо, определяется уравнением: приведенное число приемников группы, определяемое достаточно точно по формуле где в числителе квадрат суммы номинальных активных мощностей всех в знаменателе –Σ квадратов номинальных активных мощностей отдельных приемников группы. В условиях эксплуатации коэффициент формы удобнее всего находить по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии. В этом случае коэффициент формы графика, например по активной мощности определяется по формуле где число интервалов, на которое разбит график нагрузок. электроэнергия, полученная по показаниям счетчика за сутки. потребление электроэнергии за время . А теперь поясним данную формулу. Рис. 3.2 б) Групповой график нагрузок по активной мощности На рис 3. 2.б представлен групповой график нагрузок по активной мощности за время , построенный по показаниям счетчика активной энергии. В данном случае Квадрат среднеквадратичной активной мощности за время Т определяют из выражения Если промежутке принять одинаковыми т. е. то получим Тогда (3.б 22) упростится В то же время С учетом (3.24б) формула (3.23б) приобретет следующий вид: Средняя активная мощность за время определяются В конце получим Коэффициент максимума Коэффициентом максимума активной мощности называется отношение расчетной активной мощности к средней нагрузке за исследуемый период времени. Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены. Обычно коэффициент максимума относится к групповым графиком нагрузок, т.е определяется величина Коэффициент максимума зависит от приведенного числа приемника и ряда коэффициента, характеризующих режим потребления электроэнергии данной группы приемника. Аналогично выражению (3. 28б) коэффициент максимума графика нагрузок по току определяется как Коэффициент максимума, связывая две найденные из графика величины – расчетную и среднюю нагрузку, представляет собой определенную и важную характеристику графика. Коэффициент спроса. Коэффициент спроса обычно относится к групповым графиком. Коэффициентом спроса по активной мощности называется отношение расчетной в условиях проектирования или потребляемой (в условиях эксплуатации) активной мощности к номинальной (установленной ) активной мощности группы приемников. Аналогичный коэффициент применим и для токовой нагрузки. Значение коэффициентов спроса для различных групп приемников в различных отраслях промышленности и различных производств и предприятий в целом определяются из опыта эксплуатации, и принимается при проектировании по справочным материалом Используя выражения (3.1б), (3.2б), (3.28б), (3.29б), (3.30б), (3.31б) можно легко установить следующие зависимости: В справочных материалах величины постоянны и не зависят от числа приемников группы, т.е в них дается лишь грубая оценка величины которая может быть постоянной только при высоких и большем .В действительности (3. 32б) является величиной переменной, т.к. при будем иметь: для данной группы приемников и только в случае когда и следовательно Коэффициент заполнения графика нагрузок. Коэффициентом заполнения графика нагрузок по активной мощности называется отношение средней активной мощности к максимальной за исследуемый период времени. Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены. Если учесть, что по существу совпадает с , то коэффициент заполнения графика является величиной, обратной коэффициенту максимума (см. формулу 3.28б и 3.34б) Коэффициент заполнения графиков обычно относится к групповым графикам нагрузок. Аналогичны выражения для коэффициентов заполнения графиков нагрузок по реактивной мощности и току: Числовые значения коэффициентов заполнения суточного графика нагрузок , для различных предприятий принимаются по справочным материалом. Коэффициент разновременности максимумов нагрузок . Коэффициент разновременности максимумов нагрузок по активной мощности называется отношение суммарного расчетного максимума активной мощности узла СЭС к сумме расчетных максимумов активной мощности отдельных групп приемников, входящих в данный узел СЭС: Этот коэффициент характеризует следующие максимумов нагрузок отдельных групп приемников во времени, что вызывает снижение суммарного максимума нагрузок узла по сравнению с суммой максимумов отдельных групп. Приближению можно принять для шин э/ст предприятия, шин ГПП, и питающих ЛЭП. Литература 1.1. Федоров А.А. Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М. ЭАИ 1984. Стр 19-58 1.2. Ермилов А.А. Электроснабжение промышленных предприятий. М. Э 1990г стр 32-44 1.3. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок М.ВШ 1990 стр 20-31 1.4. Ю. Л. Мукосеев Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия стр. 10-33 1.5. Э. М. Ристхейн Электроснабжение промышленных установок, М. ЭАИ, 1991 1.6. А. А. Федоров, Э.М. Ристхейн Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия, 1981 стр 47-48 Контрольные вопросы. 1. Для чего изучается ГЭН? 2. Какие способы построения ГЭН вы знаете? 3. Виды графиков электрических нагрузок. 4. Величины характеризующие ГЭН. 5. Какие бывают коэффициенты, характеризующие ГЭН? 6. Дать определение электрической нагрузке. 7. Что понимают под электрической нагрузкой? 8. Индивидуальные графики нагрузки. 9. Групповые графики нагрузки. 10. Что такое эффективное число электроприемников? 11. Дайте определения коэффициентам использования, нагрузки, включения.