книги из ГПНТБ / Грудинский, П. Г. Техническая эксплуатация основного электрооборудования станций и подстанций

поскольку удельная стоимость станций небольшой мощности выше, чем у мощных, расход топлива у них больше и удель­ ная численность персонала выше.

Если принять, что факторы, отличающие себестоимость потерь энергии от приведенных затрат (отсутствие коэф­ фициента эффективности и большие удельная стоимость,

W 2руб/год

Рис. 1-1. Удельные приведенные затраты на возмещение потерь энергии в электрических сетях.

удельная численность персонала и расход топлива), взаимно компенсируют друг друга, то экономические расчеты при оценке результатов от снижения потерь энергии в эксплуа­ тации можно вести, принимая себестоимость 1 кВт-ч равной приведенным затратам на 1 кВт-ч, т. е. по кривым рис. 1-1, где приведены три кривые для трех районов СССР, по­ скольку в этих районах стоимость топлива различна.

20

Если произвести сокращения в (1-2) делением числи­ теля на знаменатель и учесть, что амортизационные отчис­ ления и заработная плата остаются постоянными и не за­ висят от загрузки станции, то можно представить (1-2) в обобщенном виде:

и (1-3).

Из приведенных формул можно сделать некоторые выводы. Прежде всего следует отметить, что чем выше Тшлс, т. е. чем полнее используется установленная мощность электростанции, тем ниже себестоимость энергии. Если максимум нагрузки потребителя не совпадает с максимумом нагрузки энергосистемы, что характеризуется малой вели­ чиной £ маКс. то себестоимость энергии уменьшается, как это видно из (1-2). Если kK= 0, то себестоимость опреде­ ляется только топливной составляющей и некоторой долей расходов на заработную плату персонала и материалы. Следовательно, сокращение потерь только в ночные часы дает меньшую экономию в денежном выражении, чем такое снижение потерь в максимум нагрузки.

Но себестоимость энергии на электростанции является только одной из составляющих, определяющих себестои­ мость потерь. Вторая составляющая — это потери при передаче энергии, идущей на покрытие потерь, от электро­ станции к месту потребления электроэнергии.

При снижении потерь снизятся потери на передачу и, кроме того, увеличится пропускная способность линии. В денежном выражении оба эти фактора дают равную экономию, так как сечение проводов линии передачи выби­ рается из условия, что затраты на дополнительную про­ пускную способность линии равны затратам на снижение потерь. Для упрощения расчетов экономию от снижения потерь (или ущерб от их увеличения) можно определить удвоением затрат на изменение потерь энергии.

Поэтому себестоимость потерь, руб/кВт • ч, с учетом их передачи от электростанции к месту потерь определится по выражению

21

где Са — себестоимость энергии на электростанции, покры­ вающей потери; pbt — потери энергии при передаче в долях от переданной энергии в каждом из i элементов передачи энергии.

Передачу энергии от электростанции к месту потерь можно представить состоящей из ряда ступеней трансфор­

Сказанного выше достаточно для оценки результатов мероприятий по снижению потерь как в случае, когда ра­

22

ционализация не требует дополнительных вложений, так

ив случае, когда требует.

Впервом случае определяется расчетом экономия потерь энергии (выявляется время потерь и коэффициент их попа­ дания в максимум), по кривой рис. 1-1 определяется себе­ стоимость 1 кВт-ч на электростанции, по выражению (1-4) учитывается стоимость передачи энергии на покрытие потерь, потерь к месту потребления энергии и по получен­ ной полной себестоимости 1 кВт-ч оценивается экономи­

ческий эффект мероприятия.

В том случае, если для получения экономии в потерях энергии необходимо вложить дополнительные средства, необходимо оценить эти средства в рублях (по смете) и противопоставить приведенные затраты экономии по выра­ жению, получаемому на основе (1-1),

где К — вложения, связанные с рационализацией; 2 # — ожидаемая экономия от снижения потерь энергии, умень­ шения заработной платы, снижения расхода материалов и пр.

1-4. Некоторые пути снижения потерь энергии

Экономическая загрузка трансформаторов. Для опре­ деления экономических режимов трансформаторов сначала найдем зависимость затрат, связанных с работой трансфор­ матора, от его нагрузки, т. е. экономическую характери­ стику трансформатора. Сделаем это без учета потребления трансформатором реактивной мощности, приняв во внима­ ние только амортизационные отчисления от стоимости

мощность трансформатора, Рк,3 — потери в обмотках при номинальной нагрузке.

При проектировании расчет ведется в приведенных

23

в обмотках трансформатора. Значение этих затрат различно,

дельной экономически выгодно при проектировании транс­ форматорной подстанции выбрать трансформатор следующей ступени по шкале номинальных мощностей;

чем выше нагрузка трансформатора, тем ниже удельные затраты на трансформацию. Переход на следующую сту­ пень по номинальной шкале мощностей вызывается не тем, что удельные затраты начинают возрастать, а* тем, что при переходе на трансформатор большей мощности они стано­ вятся еще меньше.

Отметим, что все сказанное относится к выбору мощности трансформатора при проектировании новых электроуста­

24

новок. В условиях эксплуатации при подходе к экономиче­ скому пределу, установленному при проектировании, ре­ шение о замене работающего трансформатора целесообразно, если капитальные вложения при этом окупятся большим снижением затрат.

Таким образом, если при проектировании сопостав­ ляются варианты, оцениваемые в приведенных затратах (во всех вариантах нужны капитальные вложения), при эксплуатации сравнивается существующий вариант, не требующий новых вложений, с вариантом нового трансфор­ матора, оцениваемым в приведенных затратах. При отсут­ ствии капитальных затрат оценка производится по себестои­ мости, чему соответствует выражение (1-6), в котором ен = 0. Экономические характеристики, естественно, сни­ жаются, как это показано на рис. 1-3 пунктиром.

Точка пересечения характеристики С2т с характеристи­ кой З 3т (точка Б [) соответствует нагрузке, при которой экономически целесообразно перейти от второго трансфор­ матора к третьему — трансформатору большей мощности.

Как показывают расчеты, эта точка близка к допускае­ мым перегрузкам или превышает их. Поэтому перегрузки трансформатора экономически целесообразны, удельные расходы при них будут ниже, чем до перегрузки.

Если при отключении трансформатора, работающего с перегрузкой, оставшийся в работе трансформатор не может принять всей нагрузки, возникнет ущерб из-за недоотпуска энергии потребителю. Последнее обстоятельство приводит к тому, что заменять работающий трансформатор на транс­ форматор большей мощности целесообразно еще до наступ­ ления необходимости в перегрузке.

Однако, если такая замена заблаговременно почему-либо не сделана (например, из-за отсутствия трансформатора), то целесообразнее идти на перегрузку, чем на ограничение нагрузки потребителя. Ограничение нагрузки вызывает явный и немедленный постоянный ущерб — недоисполь­ зуются имеющиеся в наличии производственные мощности, в которые вложены большие средства. Перегрузка позво­ ляет избежать этого ущерба, в то время как вероятность ущерба временного при отказе одного из трансформаторов очень невелика.

Все сказанное справедливо и по отношению к перегрузке линий. Линии имеют экономические характеристики, подоб­ ные характеристикам трансформаторов, с той лишь разни­ цей, что из их выражения (1-5) выпадают затраты на покры­

25

тие потерь холостого хода, которые у линий практически отсутствуют. Расчеты показывают, что пересечение харак­ теристики для существующей линии с характеристикой для новой линии лежит далеко от пересечения двух характе­ ристик для новой линии с сечением, смежным по шкале номинальных сечений. Это означает, что строительство дополнительной линии или замена проводов на большее сечение у существующей линии экономически целесообразно при нагрузках, значительно превышающих экономические.

Допускается увеличение плотности тока в линии до двукратного значения нормированной экономической плот­ ности тока ПУЭ, если для снижения плотности тока тре­ буется сооружение новой линии.

Из всего сказанного выше можно сделать вывод: при перегрузках линий и трансформаторов удельные расходы на передачу и трансформацию энергии снижаются по срав­ нению с теми, которые были до перегрузки. Замену транс­ форматоров или проводов линии или установку дополни­ тельного трансформатора и сооружение новой линии сле­ дует обосновать экономическими расчетами. Как правило, перегрузка оборудования в разрешенных пределах является экономически целесообразной.

Одним из путей снижения потерь является отключение незагру­ женных трансформаторов в периоды снижения нагрузки. Такие периоды могут быть сезонными (например, летом), недельными (в выходные дни) и суточными (ночные снижения нагрузки). Наиболее эффективно отклю­ чение незагруженных трансформаторов летом; при ночных отключениях следует взвесить положительные и отрицательные стороны отключений, о чем будет сказано ниже.

Критическая нагрузка, при которой при снижениях нагрузки целесообразно отключать один из двух параллельно работающих трансформаторов, а при повышениях — включать, определяется из условия равенства потерь при п и п — 1 включенных трансформаторах

1 пРх.х + - ^ г - Р « .3 = (п- •1)Рж.*+

п^ном

где SK. 9 — критическое значение нагрузки подстанции, a SH0M— номи­ нальная мощность одинаковых параллельно работающих трансформа­ торов, имеющих потери холостого хода Рхх и потери короткого замы­ кания Рк.3.

где а = Рк.3/Рх.х..

Экономический эффект от отключения одного из трансформаторов двухтрансформаторной подстанции, руб/год, можно определить по вы­

26

где Тот— продолжительность отключения, ч, a Scp — средняя на­ грузка подстанции за это время.

Следует помнить, что каждое включение трансформатора сопровож­ дается большим толчком тока включения, в какой-то мере подвергаю­ щим обмотку динамическим воздействиям. Если отдельное включение практически не сказывается на состоянии креплений обмоток, то систе­ матическое повторение воздействий может оставить нежелательные последствия. Поэтому не следует идти на кратковременные отключения, да еще при нагрузках, лишь немного ниже критических.

Для примера подсчитаем экономию от одного отключения трансфор­

это время по выражению (1-8) составит 0,98 руб,; так Сэ.„ для ночной

нагрузки равно 1,15-10~2 руб/кВт-ч.

Компенсация реактивных нагрузок. Компенсация реактивных нагрузок обеспечивает очень существенную экономию потерь активной энергии. Это можно показать на простом примере. Пусть по одному из элементов передачи энергии сопротивлением R, Ом, протекает ток /, А

скоэффициентом мощности cos ф = 0,8. Тогда потери мощности

всех потерь и что при компенсации до cos ф = 1 общие потери снизи­ лись в 1,56 раза.

Однако компенсация требует определенных вложений в компенси­ рующие устройства. Предел компенсации определяется требованием, чтобы вложения в компенсирующие устройства окупались в норматив­ ный срок сокращением потерь в сетях. Чем дальше потребитель удален от электрической станции, чем больше активное сопротивление пути между ним и электростанцией, тем больше потери, тем выгоднее более полная компенсация.

Для народного хозяйства экономически целесообразно устанавли­ вать компенсирующие устройства на вводах и в сетях потребителя, так как в этом случае осуществляется компенсация реактивной мощ­ ности на всем пути протекания энергии. Сопротивление пути примерно характеризуется числом ступеней трансформаций между электростан­ цией и потребителем реактивной мощности. Расчеты показывают, что коэффициент мощности у потребителя, расположенного дальше чет­ вертой ступени трансформации от ближайшей электростанции, целесо­ образно в часы наиболее нагруженной смены поддерживать на уровне 0,98. При числе трансформации, равном трем, — на уровне 0,95; при двух ступенях — на уровне 0,9 и при одной ступени — на уровне 0,85.

Наибольший эффект дает перевозбуждение синхронных двигате­ лей, которые в этом случае являются наиболее дешевым источником реактивной мощности. Следующей по экономической эффективности является установка батареи конденсаторов.

Однако было бы технически неправильно всю компенсирующую мощность сосредоточивать в конденсаторных установках потребителя. При снижениях напряжений в сети реактивная мощность, выдаваемая конденсаторами, снижается пропорционально квадрату напряжения, между тем именно в эти моменты она необходима для поддержания устойчивости энергосистемы. Поэтому определенная часть мощности сосредоточивается в синхронных компенсаторах, которые способны

внеобходимых случаях кратковременно выдать реактивную мощность,

внесколько раз превышающую их номинальную мощность. Наличие

27

крупных установок синхронных компенсаторов позволяет централизо­ ванно управлять потоками реактивной мощности, в то время как кон­ денсаторные установки потребителей являются практически неуправляе­ мыми.

Компенсация реактивной мощности имеет еще одну положительную

в сети снижаются в несколько раз. Следует заметить, что регулирование трансформаторов под нагрузкой (РПН) при дефиците реактивной мощ­ ности не может дать ожидаемого эффекта, потому что при повышении напряжения увеличивается потребность в реактивной мощности. Поэ­ тому для регулирования напряжения целесообразно сочетать установку трансформаторов с РПН и установку компенсирующих устройств.

Однако реактивная мощность необходима главным образом в часы наибольшей нагрузки промышленных предприятий. При снижении этой нагрузки выдача реактивной мощности компенсирующими уста­ новками потребителя приносит только вред: она вызывает вредное повышение напряжения. Поэтому ночью значительная часть компен­ сирующих установок должна отключаться, так как избыточную реак­ тивную мощность приходится компенсировать работой синхронных ком­ пенсаторов энергосистемы с недовозбуждением, что связано с потерями энергии и с понижением устойчивости.

Автоматическое регулирование нагрузки компенсирующих устройств можно вести по разным критериям — по графику нагрузки, по ко­ эффициенту мощности, по напряжению. В большом числе случаев целесо­ образно вести регулирование по напряжению. Это справедливо особенно для компенсирующих устройств промышленный предприятий, город­ ских и сельскохозяйственных сетей. Затраты на установку компенсирую­ щих устройств окупаются в таких случаях как экономией по снижению потерь энергии в сетях (начиная от электростанций до установок потре­

Глава вторая

Нагревание электрического оборудования и контроль аа ним

2-1. Изменение температуры в процессе нагревания и охлаждения

Электрическое оборудование и проводники при работе нагреваются за счет потерь энергии в токоведущих элементах и в магнитных сердеч­ никах, что ведет к повышению их температуры. Повышение температуры выше определенных пределов вызывает необратимые изменения в изо­ ляции, ее ускоренное старение (понижение механической и электричес­ кой прочности). Кроме того, возникают дополнительные внутренние напряжения в ряде деталей конструкции. Последствия нагревания отражаются на состоянии оборудования, его безотказной работе и

28

сроке службы. В эксплуатации поэтому ведется систематический конт­ роль за тепловым режимом ответственных деталей электрооборудования.

Допустимые тепловые режимы оборудования определяются в инструкциях по эксплуатации и в указаниях заводов-поставщиков. Эти указания основаны как на проведенных испытаниях, так и на теп­ ловых расчетах, в которых используются зависимости между нагрузкой оборудования и температурой. В отдельных случаях такие расчеты целесообразно проводить и в условиях эксплуатации (например, для оценки допустимости режима, не предусмотренного в инструкциях).

Напомним выражения и их вывод, часто применяемые в подобных тепловых расчетах. Пусть в оборудовании имеются потери мощности Р, Вт; теплоотдача в окружающую среду К, Вт/°С; теплоемкость обору­ дования С, Вт • с/°С; разность температуры оборудования окружающей среды '0' — О0 = 6, °С (эту разность принято называть превышением температуры или перегревом). Время обозначим через /, с.

Если принять следующие допущения:

отдача тепла в окружающую среду пропорциональна разности температур оборудования и среды;

теплоемкость окружающей среды неограниченна; условия охлаждения по всей поверхности одинаковы;

потери мощности, коэффициенты теплоемкости и теплоотдачи по­ стоянны (не зависят от температуры),

Физический смысл этого выражения состоит в том, что энергия потерь, полученная обрудованием, частью отдается в окружающую среду (первый член правой части), а частью поглощается оборудованием за счет его теплоемкости (второй член). При этом превышение темпера­ туры оборудования 0 увеличивается до тех пор, пока не наступит устано­ вившееся состояние, при котором оно остается постоянным и равным 0 у. Выражение (2-1) примет вид Р г= /С0у, так как второй член (2-1) станет равным нулю, откуда установившееся превышение температуры, °С,

0У==Р//С. (2-2)

Если предположить, что нагревание происходит без отдачи энергии в окружающую среду, то нулю будет равен первый член (2-1) и выраже­ ние примет вид Pt = С 0, откуда

Время, в течение которого превышение температуры 0 в этих усло­ виях станет равным 0 у, принято называть постоянной времени нагрева или постоянной нагрева. Из (2-2)и (2-3) постоянная нагрева, с, равна:

Используя полученные соотношения при интегрировании (2-1), можно получить зависимость превышения температуры 0, °С, от времени

29