2.4.3. Учет электрических нагрузок

При расчете и анализе режимов сетей передачи и распределения электроэнергии, кроме характеристик их основных элементов – ЛЭП, трансформаторов и др., должны быть учтены и характеристики электрических нагрузок потребителей. Для решения задач анализа установившихся режимов необходима величина активной и реактивной мощности нагрузки.

Приемником электроэнергии называется аппарат, агрегат, механизм, предназначенный для преобразования электрической энергии в другой вид энергии. Например, распространенным приемником электроэнергии является асинхронный двигатель, преобразующий электрическую энергию в механическую. Асинхронные двигатели различаются по мощности и всегда потребляют реактивную мощность. Синхронные двигатели в режиме перевозбуждения генерируют реактивную мощность.

Потребителем электроэнергии называется группа электроприемников, объединенных технологическим процессом и размещенных на определенной территории. Например, потребителями электроэнергии являются промышленное предприятие, его цеха, жилой дом и т.д. Существенную часть в потреблении электроэнергии составляют потери в сетях.

Режим работы электрической сети зависит от режима работы потребителей, получающих питание от этой сети. Так, например, для сети напряжением 110 кВ с понижающими подстанциями 110/10 кВ режим работы будет определяться мощностями, потребляемыми от шин 10 кВ каждой из подстанций. В этом случае совокупность потребителей, получающих питание от шин 10 кВ одной подстанции, принято называть комплексной нагрузкой или просто нагрузкой, а шины 10 кВ – узлом нагрузки. В зависимости от номинального напряжения рассчитываемой электрической сети, в качестве узлов нагрузки могут рассматриваться шины более высоких или более низких номинальных напряжений.

В состав комплексной нагрузки входят: асинхронные и синхронные двигатели, освещение, преобразователи тока, электрические печи, нагревательные приборы и т.п. Процентное соотношение составляющих комплексной нагрузки различно для промышленных, городских и сельскохозяйственных потребителей. Для промышленных потребителей преобладает двигательная нагрузка большой мощности, для городских и сельскохозяйственных потребителей – освещение, нагревательные приборы, двигатели небольшой мощности.

С другой стороны, в зонах городских и сельских потребителей имеются, как правило, промышленные предприятия небольшой мощности, а от шин главных заводских подстанций часто питаются и городские потребители. Поэтому деление нагрузки на промышленную, городскую и сельскохозяйственную часто носит условный характер [9, 10, 21].

Характерный примерный состав комплексной нагрузки, % [9, 21]:

• асинхронные двигатели – от 48% до 50%;

• освещение и бытовые потребители – от 22 до 25%;

• выпрямители, инверторы, печи, нагревательные приборы – от 10 до 11%;

• синхронные двигатели – от 9 до 10%;

• потери в сетях – от 7 до 8%.

Наиболее существенной характеристикой нагрузки является величина ее активной Р и реактивной мощности Q.

Представление нагрузки в расчетных схемах.

Задание нагрузки током, неизменным по величине и фазе. В этом случае считается, что к шинам узла нагрузки с напряжением U подключен источник тока (Error: Reference source not found–а):

,

где и – постоянные активная и реактивная составляющие тока в узле нагрузки. Величина тока определяется как:

,

где полная мощность нагрузки S_н может быть принята равной номинальной или максимальной мощности, а также мощности некоторого исходного или начального режима работы приемника или потребителя, а напряжение U – равным номинальному напряжению нагрузки или сети.

Такая форма представления нагрузки принимается при расчетах местных распределительных сетей напряжением U  35 кВ. Центрами питания таких сетей являются шины низшего напряжения подстанций 110…220/6…35 кВ. В низковольтных сетях значения напряжений изменяются в узких пределах и практически совпадают по фазе, поэтому и принимается такая форма представления нагрузки: I_н = const, cos  = const. Активная и реактивная мощность нагрузки для этого случая:

Задание нагрузки постоянной мощностью. При расчетах местных и районных электрических сетей нагрузка часто задается постоянной мощностью (см. Error: Reference source not found–б):

,

где P_н и Q_н – неизменные активная и реактивная составляющие мощности узла нагрузки: P_н = const и Q_н = const.

Широкое использование способа задания нагрузки неизменной мощностью обусловлено тем, что расчеты электрических сетей ведутся, как правило, в мощностях, а не токах. Этот способ задания нагрузок оказывается достаточно точным для электрических сетей, снабженных устройствами регулирования напряжения, поддерживающими напряжение в узлах нагрузки в достаточно узком диапазоне допустимых отклонений напряжения от номинального значения.

Задание нагрузки постоянной проводимостью (сопротивлением). В этом случае считается, что к шинам узла нагрузки с напряжением U подключена неизменная проводимость (см. Error: Reference source not found–в):

,

или сопротивлением (см. Error: Reference source not found–г)

,

где G_н и B_н – активная и реактивная составляющие полной проводимости Y_н; R_н и X_н – активная и реактивная составляющие полного сопротивления Z_н нагрузки.

Для случая, приведенного на Error: Reference source not found–в, мощность нагрузки определяется соотношениями:

а для случая, приведенного на Error: Reference source not found–г, соотношениями:

Этот способ представления нагрузки используется, как правило, при расчетах переходных процессов в ЭЭС.

Задание нагрузки статическими характеристиками. Статическими характеристиками нагрузки по напряжению и частоте называются зависимости активной и реактивной составляющих мощности нагрузки от напряжения и частоты в узле ее подключения. Такой способ задания нагрузки более точно отражает ее свойства, чем в случае задания нагрузки неизменными током, мощностью или проводимостью (сопротивлением).

Точные статические характеристики конкретного узла нагрузки могут быть получены только экспериментальным путем, что далеко не всегда возможно и целесообразно. Статические характеристики нагрузок разных узлов отличаются друг от друга. Вместе с тем статические характеристики крупных узлов нагрузки, включающих промышленных и коммунально-бытовых потребителей, обладают общими свойствами. Такая общность свойств объясняется тем, что основную долю нагрузки составляют асинхронные двигатели и освещение. Эти приемники оказывают определяющее влияние на рассматриваемые характеристики.

В практике расчетов установившихся режимов электрических сетей используются обобщенные статические характеристики комплексной нагрузки по напряжению и частоте, приведенные в относительных единицах на Error: Reference source not found и Error: Reference source not found. Учет статических характеристик нагрузки применяется, как правило, для расчетов послеаварийных установившихся режимов, когда напряжения в узлах и частота в сети могут заметно отличаться от номинальных значений [9, 10, 22].