книги из ГПНТБ / Будзко И.А. Электроснабжение сельского хозяйства учеб. пособие

тока и 1,5 млн. В постоянного тока между энергосистемами азиат­ ской и европейской части страны.

Отметим, что, помимо всех упомянутых выше технико-экономиче­ ских преимуществ централизации энергетики, электрические связи между отдаленными географическими районами создают большие пре­ имущества, вытекающие из несовпадения по времени суточных мак­ симумов. Это обеспечивает возможность маневрирования по межси­ стемным связям мощностями и электроэнергией и существенно повышает использование установленной мощности электростанции. Ко­ нечно, эксплуатация мощнейших энергосистем и Единой энергосисте­ мы страны требует применения качественно новых приемов и, в част­ ности, широкого внедрения автоматики и использования электронновычислительных машин для экономичного распределения • нагрузок, расчетов напряжений, нормальных и аварийных токов, а также противоаварийных защит.

§ 3. Электроснабжение сельского хозяйства

Как уже отмечалось, начиная с 1953 г. основным путем электро­ снабжения сельских потребителей стало присоединение их к сетям мощных энергосистем. Д о этого времени электроснабжение села ба­ зировалось на работе гидроэлектростанций на малых и средних водо­ токах и тепловых электростанций на местном топливе. Процесс пере­ вода электроснабжения сельских потребителей на базу мощных энергосистем, конечно, проходил постепенно, и полностью он еще не закончен, хотя к началу 1971 г. уже более 90% колхозов и совхозов получило питание электроэнергией от систем.

Питание сельских потребителей от энергосистем осуществляется в основном на напряжениях 35 и 10 кВ . Иногда для этой цели приме­ няют напряжения ПО и 6 кВ . В Прибалтике и Калининградской об­ ласти широко применяют. также напряжения 15 и 20 кВ .

При напряжениях 6—20 кВ обеспечивается питание сельских по­ требителей в радиусе нескольких десятков километров при их мощ­ ности до 1000 кВт. На 35 и особенно на ПО кВ можно обеспечить пи­ тание сельских потребителей в радиусе до 100—150 км при их мощ­ ности до 10 000 кВт.

Одновременно с процессом централизации электроснабжения сель­ ских потребителей происходила постепенная ликвидация мелких и не­ экономичных электростанций, которые ранее обеспечивали село элект­ роэнергией. В ряде случаев эти станции не были ликвидированы, их сохраняли в виде резервных источников питания, а иногда после ре­ конструкции и автоматизации включали на параллельную работу с энергосистемами.

Следует отметить, что добиваться стопроцентного перевода элект­ роснабжения сельских потребителей на базу мощных энергосистем в народнохозяйственном разрезе нецелесообразно. В отдаленных гео­ графических районах на достаточно большой промежуток времени будут сохранены специальные сельские электрические станции, кото-

рые обеспечат электроснабжение таких районов. Этот путь, особенно при использовании автоматических дизельных электростанций и ав­ томатизированных гидроэлектростанций на малых и средних водо­ токах, в ряде конкретных районов может обеспечить более экономич­ ные решения, чем при сооружении длинных линий передачи от энер­ госистем на сравнительно небольшие мощности, необходимые для сельских потребителей.

Плотность электрической нагрузки сельских сетей мала по срав­ нению с городскими сетями. Она зависит от плотности населения сель­ ских районов, объема и характера производства, а также от уровня внедрения электрической энергии в сельскохозяйственные производ­ ственные процессы и быт сельского населения.

В начальных стадиях электрификации сельских районов, когда электроэнергию используют главным образом для освещения и не­ большого количества бытовых приборов, а в производстве для привода незначительного количества стационарных агрегатов в животновод­ стве и подсобных мастерских, размеры годового потребления элект­ роэнергии колеблются в пределах от 100 до 150 кВт-ч в год на сель­ ского жителя. С развитием электрификации удельное потребление электроэнергии возрастает и при условии широкого внедрения быто­ вых приборов, а также комплексной электрификации большинства стационарных процессов сельскохозяйственного производства (кроме энергоемких тепловых процессов и мощных бытовых приборов — электроплит, бойлеров, печей) достигает 800—1000 кВт-ч на сель­ ского жителя в год. Соответственно в начальной стадии электрифика­ ции плотность электрической нагрузки в сельских районах составляет 1—5 кВт/км2 (при потреблении 100—150 кВт-ч на жителя в год), а при ее развитии и росте потребления до 800—1000 кВт-ч на жителя

и быта сельского населения загрузка сельских сетей и трансформа­ торных подстанций меньше, чем в городах и на промышленных пред­ приятиях. Эту загрузку можно характеризовать числом часов исполь­ зования максимума, которое определяют по формуле

где А — количество энергии, использованное потребителями за опре­ деленный период времени (сутки, месяц, год), кВт-ч;

Ртах — максимальная мощность потребителей за этот период, кВт. Для сельских потребителей в начальной стадии электрификации годовое число часов использования максимума характеризуется циф­ рами порядка 1300—1700, а при развитой электрификации сельских районов оно повышается до 3000—3500 ч. В городах эта цифра боль­ ше, достигает 5000—6000 ч, особенно при наличии промышленности с непрерывным производством. Следует отметить, что в сельских райо­ нах, прилегающих к крупным городам, а также в районах с высокой плотностью населения плотность нагрузок и число часов использо-

вания максимума могут существенно превышать приведенные зна­ чения.

В связи с основной особенностью производства электроэнергии, как уже отмечалось, процесс производства и процесс потребления со­

где t — полное время на графике.

Во всех расчетах сетей приходится исходить из величины получа­ сового максимума нагрузки, которую определяют по графику для участка, где в течение получаса нагрузка имеет максимальные значе­ ния. Если пик нагрузки длится менее получаса, расчетную эквива­

фика в течение любого получаса, дающего максимальную мощность ^РрасчАналогично строят суточные графики.

При расчетах присоединенных мощностей приемников электро­ энергии — электродвигателей пользуются формулой

по эксплуатационным данным о приводимых машинах. Обычно в сель­

Ко

1,0,

Рис. 2. Зависимость коэффициента одновременности от количества потребителей:

/ — линии 6—10 кВ; 2 — подстанции 10/0,38 кВ; 3 —линии 0,38 кВ; 4 —жилые дома; 5 — сельскохозяйственные производственные и общественные комму­ нальные помещения.

Имея суточные нагрузочные графики для различных сезонов года в относительных единицах по отношению к максимальной мощности, можно построить годовой график нагрузки по продолжительности.

Г л а в а II

ЗАДАЧИ СЕЛЬСКОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

§ 1. Качество электрической энергии

В связи с тем, что строительство сельских электрических сетей к настоящему времени можно считать практически завершенньґм, важнейшими задачами на современном этапе являются обеспечение качества электроэнергии у сельских потребителей и бесперебойность их электроснабжения.

Качество электрической энергии трехфазного переменного тока, который в настоящее время почти исключительно применяется для электроснабжения, определяется стабильностью его частоты, уровнем напряжения у потребителей и степенью несимметрии фазных на­ пряжений. На качество электроэнергии оказывает также влияние искажение формы кривой по сравнению с синусоидой.

Колебания частоты в нешироких пределах сказываются только на работе электродвигателей. Значительные снижения частоты могут отразиться также и на работе осветительных приемников, создавая ощутимую пульсацию их светового потока и, следовательно, освещен­ ности. Однако этот эффект получается при снижении частоты более чем в два раза, что практически происходит только в условиях ава­ рийных режимов в электроустановках. На работе электродвигателей отражаются сравнительно небольшие отклонения частоты от нормаль­ ной, которые иногда возникают в условиях нормальных режимов электроустановок вследствие возникновения в них дефицита или из­ бытка мощности.

Если нагрузка генераторов и создаваемые ими тормозные моменты превышают вращающие моменты первичных двигателей, агрегаты тормозятся и вместе со снижением их частоты вращения уменьшается частота переменного тока, вырабатываемого генераторами. Когда тор­ мозные моменты, создаваемые нагрузкой генераторов, становятся меньше вращающих моментов первичных двигателей, частота враще­ ния агрегатов увеличивается и вместе с нею возрастает частота тока.

Первичные двигатели в современных энергосистемах снабжаются автоматическими регуляторами скорости, поэтому с превышением частоты тока против нормы в практике почти не приходится сталки­ ваться, а снижения частоты тока более вероятны, поскольку в ряде случаев регуляторы двигателей не могут стабилизировать их частоту вращения вследствие недостатка мощности. И повышение, и особенно снижение частоты тока, влияет на работу электродвигателей, так как их частота вращения пропорциональна частоте э . д . с, а мощность про­ порциональна частоте вращения. Уменьшение частоты вращения

электродвигателей при заданной нагрузке приводит к увеличению потребляемых ими токов, а следовательно, отражается и на режиме работы питающей сети, увеличивая в ней потери напряжения. Кроме изменения активной мощности, изменение частоты тока приводит еще и к возрастанию потребления реактивной мощности. Кроме того, из­ менение частоты вращения электродвигателей может сопровождаться нарушением технологических процессов в приводимых ими меха­ низмах.

Таким образом, одним из важнейших факторов, определяющих качество электрической энергии, является стабильность частоты э.д.с. Правила устройства электроустановок и ГОСТ на качество электро­ энергии (13109—67) регламентируют требование поддержания часто­ ты 50 Гц в мощных системах с точностью ± 0 , 1 Гц ( ± 0 , 2 % ) . На элект­ ростанциях и в энергосистемах небольшой мощности, работающих изолированно, отклонения частоты допускаются не более ± 1 % , а на электростанциях при мощности до 250 к В т — ± 4 % . Дл я передвиж­ ных автоматизированных станций при их изолированной работе на потребителей отклонение частоты допускается в пределах ± 1 0 % .

Вторым фактором, определяющим качество электроэнергии, явля­ ется уровень напряжения у потребителей (см. гл. V I ) . Снижение на­ пряжения по сравнению с номиналом приводит к уменьшению свето­ вого потока осветительных приемников, причем на каждый процент снижения напряжения получается уменьшение потока на 3—4%. Сни­ жение напряжения резко ухудшает качество работы радиоприемни­ ков, телевизоров, магнитофонов, холодильников. Оно приводит к сни­ жению мощности, пропорциональному квадрату уменьшения напря­ жения, а следовательно, и к ослаблению нагрева в нагревательных бытовых приборах. Наконец, снижение напряжения приводит к уменьшению в квадратичной зависимости вращающего момента элект­

лом также крайне нежелательно. Оно резко сокращает срок службы осветительных приборов, вредно воздействует на все виды бытовых приборов и существенно увеличивает потребление реактивной мощ­ ности электродвигателями, что, конечно, отражается и на работе питающей электросети.

Стандартом установлены предельные допустимые отклонения на­

клонений напряжения установлено ± 7 , 5 % , а для сельских электро­ двигателей — от +10 до —7,5%.

Асимметрия фазных напряжений в сельских четырехпроводных сетях 0,38/0,22 кВ возникает вследствие несимметрии их нагрузок. При этом даже совершенная симметрия распределения установленных мощностей нагрузок по фазам не гарантирует от возникновения не­ симметрии нагрузок, связанной с неодновременностью включения приемников электроэнергии в различных фазах.

Несимметрия фазных напряжений существенно отражается на ра­ боте осветительных и силовых приемников. Для осветительных при­ емников в разных фазах создаются неодинаковые условия и соответ­ ственно при одинаковой их мощности и типе от них получаются раз­ ные световые потоки. В электродвигателях при несимметрии напря­ жения, кроме нормального вращающегося поля, возникает инверсное (обратное) поле, уменьшающее вращающий момент двигателей и их мощность. Это поле, кроме того, вызывает дополнительные потери, что увеличивает нагрев двигателей, а следовательно, сокращает срок их службы. Несимметрия нагрузок, вызывающая несимметрию фаз­ ных напряжений, приводит к возникновению добавочных потерь электроэнергии в сети, достигающих больших значений.

Проблема несимметрии в сельских сетях имеет серьезное значение, и в настоящее время разработан ряд методов, способствующих умень­ шению несимметрии. В частности, в сельских сетях рекомендуется применять понижающие трансформаторы со схемой соединения уР>Г или y/^fC, но с включением в нейтраль специальных аппаратов, на­ зываемых нейтралерами. Оба эти приема, уменьшая реактивное со­ противление трансформаторов для токов в нейтральном проводе (то­ ков нулевого чередования фаз), способствуют симметрированию фаз­ ных напряжений и существенно снижают добавочные потери в сетях.

Искажение формы кривых фазных напряжений по сравнению с си­ нусоидой приводит к образованию высших гармонических и создает в электродвигателях и сетях добавочные потери. Однако в нормаль­ ных режимах эксплуатации сельских электрических сетей искажение формы кривых напряжений весьма мало и практически наблюдается только при несимметричных аварийных режимах.

§ 2. Надежность электроснабжения сельских потребителей

Правила устройства электроустановок (ПУЭ) делят все потреби­ тели электрической энергии с точки зрения необходимости обеспече­ ния надежности их электроснабжения на три категории. К первой относятся электроприемники, нарушение электроснабжения которых влечет за собой опасность для жизни людей, наносит значительный ущерб народному хозяйству, вызывает повреждения оборудования, массовый брак продукций, расстройства сложных технологических процессов, нарушение 'работы особо важных элементов городского хозяйства. Вторая категория — это электроприемники, перерыв в электроснабжении которых сопровождается массовым недоотпуском

продукции, простоями механизмов и рабочих, нарушением нормаль­ ной деятельности значительных количеств людей. К третьей катего­ рии Правила относят все остальные электроприемники, которые не подходят под определения приемников первой и второй категорий.

В начальных стадиях электрификации сельского хозяйства, когда электроэнергия использовалась главным образом для освещения и электропривода некоторых вспомогательных механизмов, сельские потребители были отнесены к третьей категории. По мере проникнове­ ния электроэнергии в сельскохозяйственные технологические процес­ сы целый ряд сельских потребителей естественно переместился во вторую, а некоторые (например, инкубаторы) даже в первую кате­ горию.

По ПУЭ электроприемники первой категории должны обеспечи­ ваться электроэнергией от двух независимых источников питания, и перерывы в их электроснабжении допускаются на время, необходи­ мое для автоматического включения резервного питания. Следует отметить, что при сравнительно небольших мощностях сельских по­ требителей первой категории в качестве резервного источника их питания вполне могут использоваться резервные электростанции.

Для потребителей второй категории, к которой на современном уровне электрификации сельского хозяйства относится значительная часть сельских электроустановок, перерывы в электроснабжении до­ пустимы на время, необходимое для включения резервного питания действиями дежурного персонала или выездной оперативной брига­ ды. Если есть централизованный оперативный резерв, потребители второй категории можно питать одним трансформатором.

Потребители третьей категории могут быть лишены электроснаб­ жения на время, необходимое для ремонта или замены поврежденного элемента схемы электроснабжения, но не более чем на одни сутки.

Известно, что в любой, самой совершенной по качеству оборудова­ ния электрической системе в процессе ее эксплуатации неизбежно возникают различные повреждения. Причины аварии в электроуста­ новках разнообразны, но чаще всего они возникают вследствие не­ своевременного выявления и устранения дефектов оборудования, низ­ кокачественного монтажа, низкого уровня эксплуатации. Часто ава­ рии являются следствием влияния на электроустановки атмосферных перенапряжений (см. гл. X) .

При повреждениях в электроснабжающей системе, а также при проведении плановых ремонтов отдельные элементы схемы электро­

и сельского хозяйства в частности перерывы в электроснабжении потребителей влекут за собой определенные потери и наносят мате­ риальный ущерб.

Совершенствуя схему электроснабжения, а следовательно, уве­ личивая капитальные расходы на нее и расходы на ее эксплуатацию,

можно сокращать недоотпуск электроэнергии потребителям и соот­ ветственно уменьшать наносимый им материальный ущерб. Но это совершенствование, очевидно, целесообразно лишь в тех пределах, когда экономический эффект от уменьшения ущерба компенсирует повышенные капитальные и эксплуатационные затраты на схему электроснабжения. Таким образом, надежность электроснабжения представляет собой комплексную техническую и экономическую про­ блему.

Применительно к сельским электрическим сетям следует учиты­ вать, что их потребители работают сравнительно небольшое число часов в год и в сутки, а следовательно, время перерыва электроснаб­ жения может не совпадать с фактическим временем работы того или иного электроприемника. Это обстоятельство в технико-экономиче­ ских расчетах материальных ущербов от перерывов электроснабже­ ния сельских потребителей учитывается коэффициентом k, на кото­ рый нужно умножить общее число часов перерывов за рассматривае­ мый интервал времени (например, за год). Для разных сельских потребителей материальный ущерб от перерывов в электроснабжении колеблется в довольно широких пределах. В таблице 1 приводятся полученные Всесоюзным научно-исследовательским институтом элект­ рификации сельского хозяйства данные о размерах ущерба для ряда электрифицированных технологических процессов сельского хозяйст­ ва, а также о коэффициенте k.