9.4. Снижение потерь мощности и электроэнергии в системах электроснабжения

При проектировании электроснабжения и электрооборудования сле­дует принимать решения, направленные на оптимальное снижение потерь энергоресурсов на промышленных предприятиях. Потери ак­тивной электроэнергии (AW) на нагревание в линиях электропередачи, токопроводах и других элементах, обладающих активным сопротивле­нием R, за расчетный период Т могут быть найдены по выражению:

^ = — -Г-^{££ RT}_P> (9.11)

НОМ

где К _аиК — коэффициенты формы графиков нагрузки по активной и реактивной мощности; Р_с и Q_c — средние величины активной и реактивной нагрузок за время Т; R — активное сопротивление про­водника.

Анализ формулы (9.11) показывает, что уменьшение потерь элек­троэнергии может быть достигнуто повышением С/_ном и снижением величин остальных ее составляющих.

247

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Средняя активная нагрузка зависит от производительности обору­дования и установленных режимов работы электроприемников. Сле­довательно, величина Р_с может быть уменьшена совершенствовани­ем технологического процесса, применением энергоэффективных элек­троприемников, рациональным расходованием электроэнергии на осве­щение, вентиляцию, выработку сжатого воздуха и т.п.

Снижение величины Q_c осуществляется путем компенсации реак­тивной мощности. Уменьшение потерь активной мощности при этом определяется по выражению

8P = (2-Q-Q_K-Q²_K)-£-, ₍₉₁₂₎

ной

где g — реактивная мощность, протекающая через элемент СЭС до компенсации; <2_К — суммарная мощность компенсирующих устройств, установленных у потребителей, питающихся через данный элемент; R — активное сопротивление элемента; U — номинальное напряжение.

^{А 7} ном ^г

Снижение величин К, _а и К. достигается выравниванием графиков электрических нагрузок. При определении потерь электроэнергии, как правило, принимают значения К.и К. одинаковыми, равными коэф­фициенту формы графика нагрузки по току К_ф. В этом случае исполь­зуется выражение:

AW = 3K²I_c²RT_p, (9.13)

где 1_с — среднее значение тока нагрузки линии за время Т.

Если коэффициент формы графика К снижается до значения К ₂, то потери активной электроэнергии уменьшаются на величину

8W = 3-I²-R-T_p-(K²,-K²₂). (9.14)

Как известно, при равномерном графике нагрузки К = 1. При до­стижении такой конфигурации графика снижение потерь активной элек­троэнергии определяется выражением:

8W = 3-I²-R-T_p-(K^-1). (9.15)

Выравнивание суточного графика нагрузки потребителя электро­энергии позволяет также снизить плату за заявленную мощность, что уменьшает себестоимость продукции.

248

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Для регулирования графика нагрузки на промышленном предприя­тии выявляются потребители-регуляторы, т.е. такое электротехничес­кое оборудование, которое может работать в режиме регулирования мощности в соответствии с потребностями энергосистемы. К ним могут быть отнесены нагревательные печи, компрессорные и насос­ные станции, вспомогательные цехи и т.п.

К основным мероприятиям по регулированию графиков электри­ческих нагрузок относятся [26; 34]:

1. широкое применение заделов производства, запасов материалов и промежуточных продуктов;

2. отключение вспомогательного оборудования и проведение профилактического обслуживания в часы максимума энергосистемы;

3. применение различных аккумулирующих устройств, используемых в качестве потребителей-регуляторов;

4. поочередная загрузка, пуск и остановка однотипных агрегатов в часы максимума нагрузки;

5. изменение режима работы энергоемких агрегатов в течение суток;

6. смещение времени начала и перерывов в работе отдельных структурных подразделений;

7. временное ограничение производительности производственного оборудования.

При проектировании и эксплуатации СЭС могут предусматри­ваться мероприятия по снижению сопротивления линий электропере­дачи путем применения кабелей или проводов с большими площадя­ми сечения, использования проводникового материала с меньшим удельным сопротивлением, уменьшения длины линии. Получаемое при этом снижение потерь активной электроэнергии определяется по выражению

bW = 3-I²_c-Kl-T_p-(r_m.l_m-r_m-l_n2), (9.16)

где /■ и / — удельное активное сопротивление и длина линии в исходном режиме; г_д2 и / — то же, но после внедрения мероприятий по снижению активного сопротивления линии.

Применение более высокого напряжения без изменения сечения проводников при одной и той же мощности нагрузки снижает ток

249

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

линии, что уменьшает потери активной электроэнергии на величину:

bW = 3-R-Kl-T_p-(I²_c,-I²_c2), (9.17)

где / и / — средний за время Т ток нагрузки линии при низшем и высшем напряжениях соответственно.

При более высоком напряжении могут быть применены проводни­ки с меньшей площадью сечения, что снижает расход цветного ме­талла, но увеличивает удельное активное сопротивление линии. В данном случае выражение (9.17) приобретает следующий вид:

8W = 3-l-Kl-T_p-(r_m-I²_cl-r₀₂-I²_c2), (9.18)

где / — длина линии; r_m и г₀₂ — удельное активное сопротивление линии при низшем и высшем напряжениях соответственно.

Снижение потерь электроэнергии в силовых трансформаторах до­стигается правильным выбором их номинальных мощностей и под­держанием рационального режима работы.

Коэффициент загрузки трансформатора, соответствующий мини­мальным потерям мощности, определяется из выражения [35]

(9.19)

где АР_Х и Д/^' — приведенные потери холостого хода и КЗ трансфор­матора.

Приведенные потери холостого хода:

AP; = AP_x + K_unAQ_x, (9.20)

где АР_Х АР_Х и AQ_X — потери активной и реактивной мощности

холостого хода трансформатора; К_ип — коэффициент изменения потерь, ориентировочно принимаемый для промышленных предпри­ятий 0,07 кВт/квар [35]. Приведенные потери КЗ:

AP; = AP_K + K_un-AQ_K, (9.21)

где АР_к и AQ_k — потери активной и реактивной мощности КЗ транс­форматора.

Величины Л<2_х и Д<2_К вычисляются по выражениям (3.21) и (3.22).

250

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

При работе п однотипных трансформаторов одинаковой единичной мощности S_hoh на общую нагрузку целесообразно отключить один трансформатор для снижения суммарных потерь мощности, если об­щая нагрузка окажется меньше величины

S_A=S_mu,-^n-(n-1)~^. ₍₉.₂₂₎

Если общая нагрузка превышает S_A , то экономически выгодно под­ключить к работающим трансформаторам еще один трансформатор.

Пример 9.1. Определите, на сколько снизятся потери активной мощности в линии электропередачи 10 кВ длиной 1,5 км, выполненной кабелем ААБ-10(3x70), при установке у потребителей компенсирую­щих устройств общей мощностью Q_k ⁼ 600 квар. Реактивная нагрузка линии до компенсации Q = 1200 квар.

Решение. Приняв по табл П2 дчя кабеля ААБ-10(3x70) г₀= 0,447 Ом/км, вычислим по выражению (3.5) активное сопротивле­ние кабеля:

R = 0,447 -1,5 = 0,67 Ом. , По формуле (9.12) находим величину снижения потерь активной мощности:

8Р = (2 • 1200 • 600 - 600²) • (0,67 / 10² ) ■ 10 ³ = 7,2 кВт.

Пример 9.2. Потребитель питается по линии 10 кВ длиной 2,6 км, выполненной кабелем ААБ-10(3x95). В течение суток ток нагрузки линии имеет следующие значения и соответствующие им длительно­сти: 120 А — 5 ч, 80 А — 5 ч, 60 А — 6 ч, 30 А — 8 ч. Определите, на сколько уменьшатся потери активной электроэнергии в линии за сутки при полном выравнивании графика, при котором сохраняется то же электропотребление, а коэффициент формы графика снижается до 1.

Решение. Удельное активное сопротивление кабеля ААБ-10 (3x95) г₀= 0,329 Ом/км (табл. П2). В этом случае для линии длиной 2,6 км активное сопротивление:

R = 0,329 • 2,6 = 0,848 Ом. > - •

По выражению (3.10) находим среднее значение тока линии за сутки:

251

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

, 120- 5+ 80- 5+ 60- 6+30- 8 „ „ .

/. = 66, 7 А.

24

Среднеквадратический ток линии вычисляется по формуле (3.8):

120² -5+80² -5+60²-6+30²-8 _пл , _к К, = \ J₄ = 74,4 А.

Коэффициент формы исходного графика нагрузки определяется из выражения (3.9):

74 4 К_ф= — = 1,12. ^ф 66,7

По формуле (9.15) находим, на сколько снизятся потери электроэнер­гии в линии электропередачи за сутки при выравнивании ее графика: bW= 3 ■ 66,7² • 0,848 • 24 • (1,12²- 1) • 10 ³ = 69,1 кВт-ч.

Пример 9.3. Электроснабжение потребителя, имеющего средне­годовую полную мощность нагрузки S_c= 1200 кВА, может осуще­ствляться на напряжении 6 или 10 кВ по линии с активным сопро­тивлением R — 1,2 Ом. Коэффициент формы графика нагрузки линии К_ф = 1,05. Определите величину экономии годовых потерь ак­тивной электроэнергии в линии при применении напряжения 10 кВ.

Решение. Вычислим среднегодовые значения тока линии при напряжениях 6 и 10 кВ:

S_c , 1200 „_ , . . 1200 ^ _А . 1_С = -7=-ⁱ ; hi = -г— = И5,6 А; 1_с2 = -т= = 69,4 А.

S-u_H0M 4з-б 4зю

Экономию годовых потерь активной электроэнергии в линии при ис­пользовании более высокого напряжения подсчитаем по формуле (9.17): bW= 3 • 1,2 • 8760 • 1,05² • (115,6²-69,4²) ■ 10"³= 297 165,9 кВт-ч.

Пример 9.4. На цеховой подстанции 10/0,4 кВ установлены два трансформатора типа ТМЗ-1000/10, работающие на общую нагрузку. Каждый трансформатор имеет следующие параметры:

5 =1000 кВ-А; АР =1,8 кВт; АР =10,8 кВт; / =1,2 %; U =5,5%.

ном 'к' 'к ' ' х ' ' к '

Коэффициент изменения потерь К_ип= 0,07 кВт/квар. Определите длительную нагрузку ТП, при которой целесообразно отключить один из трансформаторов с целью снижения суммарных потерь мощности.

252

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Решение. Выполним расчет потерь реактивной мощности холо­стого хода и КЗ трансформатора по формулам (3.21) и (3.22):

_л^ 1,21000 ,„ _лл 10,51000 _1Пгг

АО =- = 12 квар; ДО =— = 105 квар.

100 ^к 100

Приведенные потери холостого хода и КЗ для трансформатора подсчитываются по выражениям (9.20) и (9.21): АР'_х = 1,9 + 0,07-12 = 2,74 кВт; ДР'_к = 10,8 + 0,07• 105 = 18,15 кВт. По формуле (9.22) вычислим:

/ 2 74

S, =1000- 2-(2-1)—— =549,5 кВ-А. \ 18,15

Отключение одного трансформатора целесообразно в тех случаях,

когда длительная нагрузка ТП меньше величины 549,5 кВ-А.