Глава 9. Энергосбережение в системах

электроснабжения

9.1. Энергосбережение при передаче

электроэнергии

Электромагнитная энергия (электроэнергия) является самой ценной энергией из всех известных видов энергии. Электроэнергия легко получается из любых видов энергии и преобразуется в любые другие виды энергии. Она легко трансформируется, инвертируется и транспортируется, электроэнергия практически состоит из эксергии. Электрифицированные производственные процессы хорошо управляются, что позволяет дополнительно повышать эффективность использования электроэнергии. В силу этого, во всех индустриально развитых странах энергосбережению в системах электроснабжения придается большое значение.

Электроэнергия передается посредством электрических сетей. Электрические сети состоят из трансформаторных подстанций и линий электропередач, и предназначены для получения электрической энергии от генераторов электростанций и транспортировке ее к потребителям. Для повышения надежности и экономичности электроснабжения в электрические сети могут вводиться дополнительные устройства (резервные электростанции, системы аккумулирования электроэнергии, компенсирующие устройства). В соответствии с изложенным, очень упрощенно электрические сети можно представить рисунком 9.1.

На повышающую трансформаторную подстанцию подается электроэнергия от электростанции, к понижающей трансформаторной подстанции подключаются потребители электрической энергии. Необходимость повышения напряжения перед транспортировкой электрической энергии обусловлена тем, что линия электропередачи имеет сопротивление отличное от нуля, а, следовательно, в ней будет выделяться Джоулева теплота, которая рассеивается в окружающую среду. Напомним, что Джоулева теплота определяется по формуле

Q = I²Rτ (9.1)

Рисунок 9.1. Упрощенная схема электрической сети

ТП1 – повышающая трансформаторная подстанция, ТП2 – понижающая трансформаторная подстанция, ЛЭП – линия электропередачи, НН – низкое напряжение, ВН – высокое напряжение.

Зависимость Джоулевых потерь от тока в квадрате вынуждает понижать значение тока при транспортировке, чего можно достичь повышением напряжения.

Рассмотрим процессы передачи электроэнергии и определим, при каких условиях потери энергии будут минимальными. Анализ начнем с трансформаторной подстанции.

Основным преобразователем энергии в трансформаторной подстанции является силовой (повышающий или понижающий) трансформатор. К.п.д. силового трансформатора весьма высоко, и составляет 0,96 для трансформаторов малой мощности (25 кВА) и 0,995 для очень трансформаторов большой мощности (несколько десятков МВА). В этой связи определение коэффициента полезного действия трансформатора делением активной мощности на выходе на активную потребляемую мощность не приемлемо из-за соизмеримости ошибок измерительных приборов и значения истинного к.п.д. Для анализа эффективности использования трансформатора представим к.п.д. в следующем виде:

(9.2)

где Р₂ – активная мощность, снимаемая с вторичной обмотки, Вт;

Р_С – потери на намагничивание стали трансформатора, или потери холостого хода, Вт;

Р_К – потери в обмотках трансформатора, или потери при коротком замыкании, Вт.

Изменим числитель (9.2), прибавив и вычтя потери:

(9.3)

Введем понятие степени нагрузки, позволяющей ток любой нагрузки выразить через номинальный ток трансформатора.

(9.4)

где I₂ – фактический ток во вторичной обмотке, или фактический ток нагрузки, А;

I_2Н – номинальный ток вторичной обмотки, А.

Учитывая, что номинальная мощность, снимаемая с вторичной обмотки равна Р_2Н = 3U_2HI_2H cosφ₂ = S_Hcosφ₂, получаем:

(9.5)

где S_H – номинальная мощность трансформатора, ВА;

cosφ₂ – коэффициент мощности цепи вторичной обмотки;

Р_КН – номинальные потери при коротком замыкании, Вт.

Представим (9.5) в виде, удобном для дифференцирования:

(9.6)

Применив методы дифференциального анализа для исследования к.п.д. трансформатора, получим:

(9.7)

Решив уравнение

(9.8)

получаем:

(9.9)

Таким образом, максимальный к.п.д. силового трансформатора повышающей или понижающей трансформаторной подстанции будет при равенстве потерь в стали, и переменных потерь в меди обмоток.

Потери в трансформаторе сложно определить в производственных условиях, поэтому следует пользоваться паспортными данными Р_С и Р_КН (Приложение 4).

Для анализа эффективности работы трансформатора используется, так называемый, эксплуатационный к.п.д.

Эксплуатационный к.п.д. показывает эффективность использования номинальной мощности трансформатора. Для уяснения этого к.п.д. введем понятие времени использования номинальной мощности (τ_ИСП). Годовым временем использования номинальной мощности называется такой период, работая в течение которого с номинальной мощностью, трансформатор отдал бы такую же энергию, как и при реальной работе с переменной нагрузкой.

По аналогии с условиями обычного к.п.д., эксплуатационный к.п.д. принимает максимальное значение при условии:

Р_Сτ_РАБ = Р_КНτ_ИСП (9.10)

где τ_РАБ – время работы трансформатора в году, час.

К.п.д. линии электропередач можно выразить следующим образом:

(9.11)

где U₁ – напряжение в начале линии электропередач, В;

U₂ – напряжение в конце линии электропередач, В;

I – ток в линии электропередач, А;

z_ЛЭП – полное сопротивление линии электропередач переменному току, Ом;

R_ЛЭП – активное сопротивление линии электропередач, Ом;

τ – время передачи электроэнергии, час.

Из формулы (9.11) следует целесообразность повышения напряжения передаваемой электроэнергии. Из этой же формулы также следует целесообразность снижения сопротивления линии электропередач. Рассмотрим эти направления энергосбережения более подробно.

Повышение напряжения наиболее эффективное мероприятие, так как при этом не только увеличивается знаменатель дроби в (9.11), но и уменьшается числитель за счет уменьшения тока в линии электропередач²³. Однако увеличение напряжения в линии электропередач способствует появлению коронного разряда. При коронном разряде происходят потери энергии, которые могут превосходить Джоулевы потери. Кроме того, корона является мощным источником радиопомех.

Коронный разряд происходит тогда, когда напряженность электрического поля у поверхности проводов линии электропередач превосходит прочность воздуха. коронный разряд – сложное явление, зависящее от многих факторов (напряженности электрического поля, материала проводников, частоты тока, чистоты поверхности проводов, давления воздуха, его газового и механического состава, влажности воздуха, температуры и др.), поэтому появление короны предсказать достаточно трудно. Тем не менее, установлено, что при напряженности электрического поля более 15 кВ/см корона будет возникать практически в любом атмосферном воздухе. При более благоприятных условиях (например, во время грозы, когда давление воздуха понижено, и воздух сильно ионизирован) корона возникает и при меньшей напряженности электрического поля.

Для предотвращения коронного разряда при повышении напряжения, приходиться разносить провода линии электропередач на большие расстояния. Это приводит к увеличению габаритов линии и размеров опор. Таким образом, повышение напряжения должно быть технико-экономически обосновано.

Понижение активного сопротивления линии электропередач также приводит к уменьшению потерь. Наиболее просто активное сопротивление понизить путем увеличения сечения проводов. Однако при большом увеличении сечения провода становятся тяжелыми и неудобными в монтаже и эксплуатации. Снижения металлоемкости проводов при сохранении эффекта можно достичь путем увеличения числа проводов в одной фазе. При увеличении числа проводов увеличивается общая поверхность проводников, а так как плотность переменного тока выше у поверхности, то равноценного эффекта можно добиться при меньшем общем сечении.

Перспективным направлением энергосбережения видимо будет передача электроэнергии в условиях сверхпроводимости. Сверхпроводимость – явление снижения сопротивления практически до нуля при криогенных (сверхнизких) температурах. Теоретически при сверхпроводимости потери в линии электропередач можно свести к нулю, так как предполагается R = 0. Однако пока практически условия сверхпроводимости можно обеспечить, только прилагая значительное количество энергии. Кроме того, пока не устранены технические сложности изготовления линий электропередач, работающих при сверхпроводимости. На рисунке 9.2 приведена зависимость изменения сопротивления чистого алюминия. Здесь отмечены температуры кипения различных газов при нормальном давлении, которые дают представление о сложности охлаждения проводов даже до таких (не сверхпроводимых) температур.

Рассматривая формулы (9.5) и (9.11), можно заметить, что повышению к.п.д. электрических сетей будет способствовать повышение их коэффициента мощности cosφ. Электрические сети имеют активно-индуктивное сопротивление, поэтому для повышения cosφ применяют компенсирующие конденсаторы. Компенсирующие конденсаторы могут включаться параллельно обмоткам силовых трансформаторов (поперечная компенсация) или последовательно проводам линий электропередачи (продольная компенсация). Кроме того, компенсирующие конденсаторы могут включаться по схеме звезды или треугольника.

Рисунок 9.2. Зависимость удельного сопротивления чистого алюминия от температуры

При отключении конденсаторов они замыкаются на индуктивное сопротивление (в сетях выше 1000 В) или на активное сопротивление (в сетях до 1000 В.

Для выбора компенсирующих конденсаторов рассчитывается их мощность и емкость.

Q_C = P(tgφ_C – tgφ_H) (9.12)

(9.13)

где Q_C – мощность компенсирующих конденсаторов, квар;

P – активная передаваемая мощность, кВт;

φ_C – существующий угол между мгновенными значениями тока в линии электропередач и линейным напряжением;

φ_H – новый (желаемый) угол между мгновенными значениями тока в линии электропередач и линейным напряжением;

f – частота тока, Гц;

U – номинальное напряжение линии электропередач, кВ.

К трудностям компенсации реактивной мощности относится необходимость регулирования мощности и емкости конденсаторов в зависимости от изменения коэффициента мощности и активной передаваемой мощности.

9.2. Энергосбережение в

электроприводах

Электроприводы являются основными потребителями электроэнергии в сельском хозяйстве и в промышленности. в этой связи эффективная их эксплуатация является важнейшим направлением энергосбережения.

Наиболее распространенным является электропривод с асинхронным короткозамкнутым электродвигателем. Асинхронный электродвигатель в электроприводе работает при частоте вращения n_РАБ, при которой электромагнитный момент электродвигателя равен моменту сопротивления (рисунок 9.3). Если момент сопротивления изменяется, электродвигатель переходит на другую точку своей механической характеристики (см. рисунок 9.3). Если предположить, что прежняя рабочая точка соответствовала максимальному к.п.д. электродвигателя, то в новой рабочей точке к.п.д. электродвигателя уменьшится. Кроме того, обороты электродвигателя также уменьшаться, что отразится на производительности рабочей машины и энергоемкости продукта.

На основании изложенного следует целесообразность регулирования частоты вращения и момента электродвигателя.

Рисунок 9.3. Механические характеристики электропривода

1 – момент электродвигателя, 2 – исходный момент сопротивления, 3 – изменившийся момент сопротивления

К сожалению, подавляющее большинство асинхронных электродвигателей не имеет устройств регулирования частоты вращения. Отсутствие устройств регулирования находится в противоречии с изменяемой нагрузкой. Устранение этого противоречия позволит уменьшить затраты энергии на электропривод не менее чем на 25%.

Способы регулирования частоты вращения определяются следующей зависимостью:

(9.14)

где n₂ – обороты ротора, об/мин.;

s – скольжение ротора относительно вращающегося поля статора;

n₁ – обороты поля статора, об/мин.;

f – частота напряжения, приложенного к электродвигателю, Гц;

р – число пар полюсов обмотки статора.

Как следует из (9.14) обороты ротора можно регулировать изменением числа пар полюсов обмотки статора (ступенчато), и изменением частоты напряжения в сети (плавно).

При переключении обмотки на другое число пар полюсов при сохранении мощности на валу двигателя изменяется момент (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4. Изменение механической характеристики при изменении числа пар полюсов

1 – число пар полюсов р = 1, 2 – число пар полюсов р = 2, 3 – момент сопротивления

Таким образом, при ступенчатом изменении момента сопротивления можно путем изменения числа пар полюсов соответствующим образом изменять механическую характеристику электродвигателя, сохраняя максимальный к.п.д. Такое регулирование типично для вентиляторов производственных помещений при сезонном регулировании подачи вентилятора.

Регулирование путем изменения числа пар полюсов имеет массу недостатков. Во-первых, регулирование ступенчатое, и не всегда соответствует даже ступенчатому изменению момента сопротивления рабочей машины. Во-вторых, система управления электроприводом становится громоздкой, включающей большое количество коммутирующих устройств. Особенно это характерно для трехскоростных электродвигателей. В-третьих, полюсопереключаемые обмотки сложны в изготовлении и ненадежны в эксплуатации. Наличие этих недостатков обусловливает современное состояние использования многоскоростных электродвигателей – выпуск многоскоростных электродвигателей отстает от предложений в сотни раз.

Регулирование путем изменения частоты напряжения сети позволяет получить плавное регулирование механической характеристики. Для изменения частоты обычно применяют широтно-импульсные модуляторы (ШИМ-устройства). ШИМ-модулирование позволяет изменять частоту питающего напряжения, и тем самым изменять обороты ротора.

Кроме изменения частоты регулировать момент асинхронного электродвигателя можно изменением напряжения. Эта возможность обусловлена зависимостью момента электродвигателя от квадрата приложенного напряжения. На рисунке 9.5 показаны механические характеристики электродвигателя при номинальном и пониженном напряжении.

Недостатками такого способа регулирования является возможность "опрокидывания" элекропривода.

Кроме регулирования механических характеристик электропривода повышению эффективности использования электроэнергии способствует повышение коэффициента мощности асинхронного электродвигателя. Повышение cosφ достигается так же, как и в электрических сетях, включением компенсирующих емкостей. Достоинства и недостатки при этом аналогичны достоинствам и недостаткам для электрических сетей, но регулирование емкости и мощности здесь обеспечиваются с меньшими трудностями. Кроме того, отключенные конденсаторы могут разряжаться на статорную обмотку электродвигателя.

Рисунок 9.5. Механические характеристики при изменении питающего

напряжения

1 – механическая характеристика при номинальном напряжении, 2 - механическая характеристика при напряжении 0,8 U_НОМ, 3 – механическая характеристика рабочей машины.

9.3. Энергосбережение

в электронагревательных установках

Электронагревательные установки не нуждаются в повышении к.п.д., так как практически вся подведенная энергия идет на нагрев, а значит, превращается в полезную энергию. Однако имеет значение, как полученное тепло используется. С точки зрения использования полученной от электронагревателя теплоты имеются достаточно большие резервы, которые пока не имеют широкого внедрения. Рассмотрим эти резервы.

Наиболее признанным способом повышения эффективности электронагревателей является их включение в часы провала электрической нагрузки и отключение в часы пиковых нагрузок. В этом случае график нагрузки становится более стабильным, что положительно сказывается на эксплуатационном коэффициенте полезного действия силовых трансформаторов (см. 9.1).

Такой режим работы электронагревателя в свою очередь требует аккумулирования теплоты. По этой причине нагревательные элементы заливают бетоном (электронагреватели для животноводческих и других сельскохозяйственных помещений) или помещают в маслонаполненный бак (бытовые электронагреватели). Массивный наполнитель является хорошим аккумулятором теплоты, которую можно запасти в следующем количестве:

Q_AK = c m ΔТ (9.15)

где Q_AK – теплота, запасенная в аккумуляторе, Дж.;

c – теплоемкость аккумулирующего материала, Дж/кг.К;

m – масса аккумулирующего материала, кг;

ΔТ – разность температур между нагретым аккумулятором и окружающей средой, К.

Обычно требуется температура выше температуры окружающей среды, в этом случае полезная теплота аккумулятора несколько меньше запасенной теплоты.

Недостатком такого теплового аккумулятора является то, что температура аккумулирующего материала начинает уменьшаться сразу же после отключения электроэнергии. Это значительно сужает временные интервалы его работы и отключения и снижает эффективность использования электроэнергии.

Гораздо эффективнее применять тепловые аккумуляторы с материалом, который в диапазоне требуемых температур претерпевает фазовые превращения. В этом случае теплота, подведенная к аккумулятору, расходуется следующим образом:

Q_AK = c m ΔТ + λm (9.16)

где λ – коэффициент фазового превращения, Дж/кг.

После достижения температуры фазового перехода, например, плавления, подведенная теплота расходуется на фазовое превращение аккумулирующего вещества, и температура аккумулятора не растет. Если теплоту подводить до полного расплавления аккумулирующего вещества, а затем прекратить ее подачу (отключить электронагреватель), то температура на поверхности аккумулятора будет оставаться постоянной до тех пор, пока аккумулирующее вещество полностью не кристаллизуется. Очевидно, что аккумулятор с фазовым переходом имеет гораздо бóльшие возможности использования провалов и пиков электрической нагрузки.

Наряду с описанным направлением энергосбережения в электронагревательных установках не потеряли актуальности и вопросы теплоизоляции обогреваемого пространства, автоматического регулирования температуры, использования для обогрева помещений отводимого тепла.

9.4. Энергосбережение в системах

освещения

Системы освещения потребляют около 10% всей электроэнергии в промышленности, и более 50% всей электроэнергии в быту. В этой связи энергосбережению в системах освещения следует придавать большое значение.

В настоящее время в области производства энергосберегающих источников света сделан настоящий прорыв, обеспечивающий снижение потребляемой электроэнергии в несколько раз. Так современные газонаполненные лампы создают световой поток при потребляемой мощности в 5 – 6 раз меньшей, чем лампы накаливания. Современные светодиоды способны создавать световой поток, достаточный для систем дежурного освещения, освещения тамбуров, коридоров, проходов и т.п. При этом потребление электроэнергии по сравнению с лампами накаливания в десятки раз меньше.

На фоне появления энергосберегающих осветительных приборов актуальность дальнейших поисков путей повышения эффективности осветительных сетей несколько снижается, однако, все еще может быть эффективным автоматическое управление системами освещения в функции времени, в зависимости от наличия работников в помещении, в зависимости от уровня естественной освещенности и т.п. При этом можно включать или отключать группы осветительных приборов, или регулировать потребляемую мощность путем изменения напряжения.