Особенности электроснабжения городов, сельского хозяйства, железнодорожного транспорта

Особенности электроснабжения городов, сельского хозяйства, железнодорожного транспорта

Города: сосредоточены нагрузки (в отдельных домах), но небольшие, особые архитектурные требования. Основная проблема – расчет нагрузок с учетом перспективы развития, потери напряжения.

Сельское хозяйство: небольшие нагрузки, но распределенные. Трудности – взаимоотношения с энергосистемой (для системы удобно – одна большая подстанция и от нее идут сети; для потребителя удобно – много подстанций, в зарубежных странах используют один трансформатор на один живой дом).

Железнодорожный транспорт: особенность – есть единственный контактный провод (надежный), качество напряжения. Рассчитывается на самый тяжелый случай, когда движение составов с минимальным интервалом времени между ними ( 4 мин.) Трудности релейной защиты – пусковой ток тепловоза соизмерим с током КЗ.

Понятие сопротивления

1. Омическое – это сопротивление постоянному току (установившемуся). Активный ток – направленное движение заряженных частиц.

Активное сопротивление – сопротивление переменному току.

Омическое сопротивление – это поверхностный эффект, потери на гистерезис (при наличии магнитных систем)

На этом сопротивлении выделяется полезная мощность или потери на нагрев и пр.

2. Индуктивное сопротивление

При изменении магнитного поля протекает ток возникает не сопротивление, а противоэдс (индуктивность создает противоэдс):

Ток нарастает и индуктивность задерживает его возрастание. Если рассматривать установившейся синусоидальный процесс, то можно ввести:

– индуктивное сопротивление только в установившемся режиме;

– угловая частота;

– частота питающего напряжения;

3. Емкостное сопротивление

При изменении электрического поля протекает электрический ток (ток смещения). Чем больше (лучше) изоляция, тем больше ток:

Напряжение нарастает и сопротивление току увеличивается. Если рассматривать установившейся синусоидальный процесс, то можно ввести:

– емкостное сопротивление только в установившемся режиме.

Понятие активной и реактивной мощности

Рассматриваются синусоидальные однофазные процессы.

Если и – напряжение и ток соответственно, то мощность:

– мгновенная мощность – общее понятие.

Если и совпадают по фазе и ток повторяет форму напряжения, то – с двойной частотой (100 Гц):

– среднее значение мгновенной мощности за период:

где =0.02 с.

Физический смысл – полезная работа и потери. На генерацию мощности расходуется уголь, газ.

В идеале в установившемся режиме нет потребления энергии: в одну четверть периода энергия запасается в индуктивности, а следующие четверть периода – передается генератору, тем самым происходит обмен энергией и при этом ничего не теряется (тратится).

Но при наличии при обмене энергии появляются активные потери, на них тратится энергия – активная мощность.

Реактивная мощность вводится для того, чтобы определять дополнительные потери активной мощности и потери напряжения. Условно считается, что, если ток отстает от напряжения, то реактивная энергия потребляется, если опережает – то генерируется.

Реактивная мощность (по Дрехслеру) (1-я гармоника).

Понятие мощности искажений

По Дрехслеру:

Рисунок 1 – Включение ЛН и графики Рисунок 2 – Графики

тока и напряжения тока и напряжения для КЛЛ

За счет несинусоидальности тока возникает обменная энергия, которая характеризуется мощностью искажения (условная понятие, как и ), среднее значение равно 0, но она характеризует дополнительные потери активной мощности от несинусоидальности.

В КЛЛ максимум импульса тока смещен влево – генерация реактивной мощности)

Понятие пассивной (реактивной) мощности по Фризе

Мощность делится на 2 группы: активная и пассивная (реактивная) .

В пассивную мощность входят мощности искажения и мощности несимметрии.

Технико-экономические расчеты в электроснабжении

Технико-экономические соотношения как оптимизационные задачи

Срок окупаемости

При наличии различных противоположных факторов есть оптимальный вариант (из множества). Существуют факторы, требования и критерии. По техническим требованиям: качество, надежность, безопасность. Выбирается критерий оптимизации.

Срок окупаемости: к_ГРН– капитальные затраты (сразу затрачивается: оборудование, монтажи др.)

и_{ГРН/ГОД} – издержки (то, что каждый год тратится; в основном – это потери электроэнергии).

Одинаковые издержки или капитальные затраты не учитываются при сопоставлении вариантов. Например: выбрать из 2-х вариантов –

к₁> к₂

и₁< и₂

В таком случае вводится понятие Срока окупаемости – это время, за которое дополнительные капитальные затраты по одному варианту окупаются вследствие меньших издержек по второму варианту.

Нормативный срок окупаемости T_Н.

Если Т< T_Н к₁ (выбирается вариант с большими капитальными затратами).

Если Т> T_Н к₂ (выбирается вариант с меньшими капитальными затратами).

С помощью срока окупаемости можно регулировать капиталовложения в электроэнергетику.

Если несколько вариантов, то сравниваются по два и поочередно.

Приведенные затраты

Приведенные затраты для каждого варианта, грн/год:

З = Е_Н^.к + и

Нормативный коэффициент окупаемости, 1/год:

Е_Н=

Капитальные затраты приводятся к одному году, но в течении одного срока окупаемости:

З = + и

Иногда приходится учитывать +У – среднегодовой вероятностный ущерб от перерыва питания. Учитывается, если У разный в разных вариантах.

В результате получаем:

Очень часто приведенные затраты мало отличаются друг от друга (15-20%). В этих случаях можно взять вариант с несколько большими З ( (1.15-1.2)З_min), но с лучшими качественными показателями (лучшее обслуживание, меньший расход цветного металла и др.)

Приведенные затраты – один из критериев экономической оптимизации (дает тот же результат, что и срок окупаемости)

Экономические интервалы

Идея метода экономических интервалов состоит в том, чтобы для каждого сечения построить зависимость приведенных затрат от тока, т.е. сечение считает постоянным.

F₁> F₂ _{????????????????}

№1 – расчетная нагрузка, и расчетный ток I_расчберется по самой нижней кривой. И соответственно с другой стороны точки пересечения (равноценности) кривых. Меньший ток – берем меньшее сечение – меньший расход металла.

Принципы резервирования

1. Неучет совпадения независимых аварий

Если ответственный потребитель, то для него установлено 2 источника питания. Для ремонта 1ИП нужно время, за это время может отказать 2ИП, поэтому нужно ставить третий и т.д..

Есть принцип практической уверенности, при котором пренебрегают событиями с малой вероятностью. В технике обычно такую вероятность считают равной 0.05-0.001. В электроснабжении считается, что достаточно 2-х источников питания, и маловероятно, что оба выйдут из строя.

При повреждении опоры (падение) двухцепной ЛЭП (а) возникают зависимые аварии: 1ИП и 2ИП обезточиваются.

2. Принцип равнопрочности

Этот принцип предполагает соответствие электрических и технологических резервов.

При КЗ в первом случае отключаются все технологические линии; во втором случае – только поврежденная линия.

В некоторых случаях трудно обеспечить электрический резерв, в ПУЭ в таких случаях рекомендуют дополнительный технологический резерв.

3. Принцип горячего резерва

Случай: а) – горячий резерв (обе линии находятся под нагрузкой)

б) – холодный резерв (обе линии под напряжением, нагрузка подключена к одной из них).

При холодном резерве возможен случай, когда 2ИП не включится в нужный момент.

Отсюда преимущества горячего резерва:

1. Автоматический контроль питания обеих линий;

2. Уменьшаются потери мощности в 2 раза:

в случае а) –

в случае б) –

4. Принцип складского резерва

Чаще всего относится к трансформаторам. На складе находятся части, которые могу выйти из строя. На складах в СССР были цеховые трансформаторы. Между предприятиями на одном из складов всегда в резерве был заводской трансформатор. В итоге можно достичь быстрого восстановления питания. К современным трансформаторам это стало относится в меньшей степени, так как при правильной эксплуатации трансформатор работает без надобности в ремонте.

5. Принцип упрощения схемы коммутации

Нужно стремиться к применению блочной схемы (трансформатор-магистраль, трансформатор-двигатель)

1. При наличии коммутационной аппаратуры снижается надежность;

2. Отказ от шин (в смысле электрического соединения). На них большая вероятность аварий (много отходящих линий, коммутационных аппаратов).

6. Принцип, учитывающий перегрузочные способности

Позволяет обеспечить питание электроприемников при отказе одного источника питания (в течение определенного времени). За время перегрузки можно устранить поломку (например, отремонтировать один источник питания), если потребуется больше времени, то придется отключать потребителей.

Категории электроприемников

В нормальном режиме все электроприемники должны снабжаться бесперебойно. В послеаварийном режиме (после отключения источника питания) предъявляются разные требования к приемникам в зависимости от их категории по бесперебойности:

I категория. Электроприемники, перерыв в снабжении которых может повлечь:

1. Опасность для жизни людей;

2. Значительный ущерб предприятию;

3. Повреждения дорогостоящего основного оборудования;

4. Массовый брак продукции;

5. Расстройство сложного технологического процесса (например, прокатный стан остается без питания, которое восстанавливается через какое-то время; в результате недоотпуск продукции, штрафные санкции).

6. Нарушение функционирования особо важных элементов коммунального хозяйства.

Из состава I категории выделяется особая категория, т.е. электроприемники, работа которых необходима для безаварийной остановки производства, с целью предотвращения угрозы жизни людей, выхода из строя дорого оборудования:

1. Операционные;

Двигатель, который подает масло на подшипники скольжения мощного двигателя, который медленно останавливается и обладает большой инерционностью;

И другие.

II категория. Электроприемники, перерыв в снабжении которых может вызвать:

1. Массовый недоотпуск продукции. Но в условиях частной собственности из-за штрафных санкций эти электроприемники следовало бы отнести к потребителям I категории;

2. Массовый простой оборудования, рабочих;

3. Нарушение нормальной деятельности значительного количества городских и сельских жителей.

III категория. Все остальные электроприемники.

Допустимые перерывы питания

I категория. Электроприемники должны иметь 2 независимых источника питания, перерыв допускается на время автоматического включения резерва (АВР). Особая категория – 3 источника питания.

II категория. Электроприемники должны иметь 2 независимых источники питания, перерыв допускается на время ручных переключений АВР, в том числе на время выезда ремонтной бригады. Если есть складской резерв, то питание может быть от одного трансформатора. Допускается питание по одной воздушной линии (на ней легко обнаружить повреждение и быстро устранить) – не более суток. Для уменьшении перерыва питания берется низковольтная перемычка от другой подстанции.

III категория. Не более суток.

Качество электроэнергии

Принципы нормирования

ГОСТ 131.09-97 относится к точке коммерческого учета электроэнергии (точка общего присоединения). В точке учета много присоединений (в том числе через трансформатор), поэтому нельзя учесть особенности всех потребителей, поэтому многие показатели ЭМС условны. Если в т.а выполняются требования ГОСТ, то это не показатель качества в т.б..

В большинстве показателей нормируется величина и длительность какого-либо показателя. В стандарте рассматривается 2 режима: нормальный и предельный. Т.е. существуют нормы обоих режимов.

Для нормального режима нормы берутся с интегральной вероятностью 95 %. А нормы предельного режима 100 % (по ГОСТу). В течении 5 % длительности суток нормы нормального режима могут превышаться.

Например, отклонения напряжения. Не выше предельных значений, но иногда выше нормальных ( не должна превышать 5 %).

Считается, что можно пренебречь маловероятностным нарушением норм (0.05 % вероятности выхода за предельные нормы).

Отклонение частоты

n – число оборотов (вала турбины, генератора).

При сбрасывании нагрузки n растет, при включении нагрузки n уменьшается. Если n₀не совпадает с n, то n увеличивают (увеличивают подачу пара, чтоб держать неизменным n).

Если Р> Р_Н, то турбина не обеспечивает выработку электроэнергии и частота изменяется( , где - число пар полюсов). Причина: нарушение баланса активных потребляемой и располагаемой мощностей.

Допущения: Гц – в нормальном режиме;

Гц – в предельном режиме.

Для определения качества берется среднее значение за 10 мин..

Частота влияет на работу потребителей и на схемы управления (тиристорные), на двигатели (на количество оборотов).

Условия работы: момент двигателя должен быть равен моменту торможения.

Если , то уменьшается ( ).

Отклонения напряжения

Нельзя путать потерю напряжению и падение напряжения.

Потеря напряжения – это арифметическая разность векторов .

Падение напряжения – это геометрическая разность векторов . Если и сонаправлены, то ;

Если и противоположно направлены, то .

В ГОСТ отклонение напряжения – это усредненное напряжение – среднеквадратическое значение напряжения за одну минуту.

Усредненное значение:

Отклонение напряжения :

Допущения: % – в нормальном режиме;

% – в предельном режиме.

Колебания напряжения.

Электрические нагрузки

Задачи расчета нагрузок

Относится к проектированию, а не к действующим сетям.

Задача: имеются технологические расчеты и расчеты от приводчиков. На их основании имеем графики нагрузки отдельных электрических приёмников (или их характеристики). Могут использоваться опытные данные по аналогичным предприятиям. Задача заключается в определении характеристик суммарного графика нагрузки.

По характеристикам выбираются:

1. Сечение проводников;

2. Количество и мощности трансформаторов;

3. Расчет показателей ЭМС (по потерям напряжения можно рассчитать отклонения напряжения, несимметрию, несинусоидальность);

4. Если мощная нагрузка, то необходимо обоснование релейное защиты;

5. Потери электроэнергии, чтоб выполнить технико-экономические расчеты.

Номинальная мощность

– номинальная мощность.

ПВ – продолжительность включения. Например, для кранов ПВ=25% (40%, 60%).

– из равенства эффективных мощностей.

Например,

Метод коэффициента спроса

Для разных производств, цехов приводятся в справочниках значения .

Недостаток принципиальный:

1. Метод относится только к тем условиям, в которых определялось значение коэффициента (разные машиностроительные заводы с разной продукцией, но с одинаковым – это неверно).

2. Метод не учитывает существенное влияние электроприемников большой мощности на расчетную нагрузку

x 1 кВт (300-400 кВт)

x 1000 кВт (1000 кВт)

В обоих случаях используется одно значение – это неверно.

Методы двучленной формы

– приёмники большой мощности (большой в этом случае считается половина от общей мощности).

Достоинства: учитывается влияние мощных электроприёмников.

Недостатки: тот же принципиальный недостаток.

Метод удельной площади

В справочниках приводятся значения удельной мощности на единицу площади – .

где F – площадь цеха или завода.

Метод удельного потребления

Задается удельная мощность на единицу объема выпуска продукции:

Используется для некоторых химических производств. Недостаток принципиальный.

Статистический метод

– статистический коэффициент [1.65 до 3];

– стандарт 30-минутных нагрузок.

Считалось, что должны быть в о.е., но эти данные не удалось определить экспериментально, поэтому метод не приняли.

Расход электроэнергии

Связан с технологией, рассчитывается на всех этапах проектирования и регистрируется при эксплуатации. В технико-экономических расчетах может использоваться годовой расход электроэнергии.

– время включения (сутки, месяц, год).

График нагрузки при проектировании неизвестен, поэтому:

– максимальная нагрузка (расчетная);

– число часов использования максимума нагрузки (смотреть экономическую плотность тока).

У технологов есть коэффициент сменности по использованию оборудования. Бывает максимальная загрузка, минимальная загрузка и как в среднем используется оборудование. У электриков есть коэффициент сменности по энергоиспользованию:

– среднегодовая мощность (по справочнику);

– максимальная мощность (по расчетам).

Расход годовой электроэнергии:

– годовое время работы оборудования.

Расход электроэнергии можно вести по технологическим данным (химическое производство: расход электроэнергии на тонну продукта).

Расчет ведется несколькими методами и результаты должны быть близки, а если отличаются, значит в расчетах есть ошибки.

Расход реактивной мощности проводится аналогично, только больше, т.к. график реактивной мощности равномернее.

Поскольку расход электроэнергии во всех вариантах одинаковый, поэтому он не учитывается при технико-экономическом сравнении.