книги из ГПНТБ / Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий учебник

кВт-ч/год на рабочего или выражается НО мощности, кВт/рабочего,

IVЭВТ

РТраб’

где Траб — число часов, отработанных рабочим в год. Самым точным, но трудоемким методом определения

расчетных нагрузок является построение расчетного гра­ фика электрических нагрузок по заданному технологиче­ скому графику работы оборудования. Подобные техноло­ гические графики применяются при проектировании уста­ новок крупных потребителей — прокатных станов, дуго­ вых электропечей, печей термообработки периодической

°С т/

цикличности, сварочных машин и др. Зная технологиче­ ский график и мощности, требуемые на каждой его сту­ пени, легко построить общий график электрических нагру­ зок, по которому определяют величину расчетного макси­ мума.

На рис. 5-7 представлен характерный график темпера­ турного режима электропечей термической обработки металла. Например, для 16 электропечей отжига изделий из ковкого чугуна мощностью по 600 кВт каждая график электрической нагрузки, построенный с помощью техно­ логического графика с циклом 72 ч, позволил определить расчетный максимум и коэффициент спроса, который ока­ зался равным 0,26. На рис. 2-9 приведен график резко переменной нагрузки блюминга.

Развитие вычислительной техники сократит время на построение таких графиков; в зарубежной литературе имеются предложения строить графики нагрузки для каж­ дого электроприемника и закладывать их в ЦВМ, которая должна дать суммарный график. Для этого должна быть составлена программа закона сложения графиков. Такие программы пока разрабатываются.

140

При подсчете нагрузок на стороне высшего напряжения от потребителей напряжением до 1 000 В следует учиты­ вать потери в цеховых трансформаторах: активные и реак­ тивные, постоянные и переменные.

Потери активной мощности в трансформаторе

где АРх х — потери в стали, или постоянные потери холо­ стого хода, кВт; ДРкз — потери в обмотках трансформа­ тора при полной нагрузке, кВт; К 3 — коэффициент за­ грузки.

Потери реактивной мощности в трансформаторе

где / 0 — ток холостого хода, приблизительно равный току намагничивания, %; ик — напряжение короткого замыка­ ния или приближенное реактивное сопротивление (X ), соответствующее магнитному полю рассеяния при полной нагрузке, %.

При подсчете активных потерь в трехобмоточных трансформаторах, имеющих мощность всех трех обмоток по 100%, необходимо учитывать К 3 отдельно для каждой обмотки. В каталогах потери короткого замыкания приво­ дятся максимальные для одного из трех сочетаний обмо­ ток ВИ НИ, ВН-СН или CH НИ.

Потери короткого замыкания в каждой из обмоток определяются как половина величины ДРкз ВН-НН, при­ водимой в каталогах, поскольку активные сопротивления всех трех обмоток, приведенные к высшему напряжению, согласно каталожным данным равны между собой и вели­ чина 3P R остается постоянной для всех обмоток.

Поскольку коэффициент загрузки обмотки ВН .й%вн равен сумме коэффициентов загрузки двух других обмоток К 3вн = Д^зсн + ^знн, то выражение для активных по­ терь трехобмоточного трансформатора получается

ДР т — Д -Рх.х+Д"зВН Д Рк.зВН + Ä ’lcH Д-Рк.зСН-Ь-К’зНН Д-Рк.зІІН-

Реактивные потери в трехобмоточном трансформаторе определяются в зависимости от коэффициентов загрузки обмоток и соответствующих реактивных сопротивлений между ними:

^ + ^зСН-^ВН-СН + ^зН Н Х ВН-НН

При определении расчетных нагрузок на стороне выс­ шего напряжения можно пренебречь активными потерями, которые находятся в пределах 2—2,5%, и учитывать только реактивные потери. Действительно, при полной нагрузке трансформаторов мощностью до 2 500 кВ-А, применяемых в качестве цеховых, реактивные потери составляют 0,5—11,5% S т, так что расчетная мощность на стороне высшего напряжения, потребляемая трансфор­ матором, кВ-А,

преобразовательных установок и др. Расчет производится с учетом коэффициентов спроса и мощности или по сооб­ ражениям режима работы, загрузки установок, степени резервирования и т. д. Для уникальных крупных электро­ приемников (прокатные станы, дуговые электропечи) строятся графики нагрузки.

При геометрическом сложении активных и реактивных нагрузок цеховых ТП и потребителей напряжением выше 1000 В следует вводить коэффициент совмещения макси­ мумов K-z = 0,95 -н 0,9 для определения нагрузки на РП или ГПП и по всему заводу. Таким образом определяется величина общезаводского максимума активной, реактивной и полной нагрузок, по которым ведутся расчет внешнего электроснабжения от энергосистемы, подсчет потребления энергии, ее стоимости и др.

Реактивная мощность синхронных двигателей, рабо­ тающих с опережающим коэффициентом мощности, учи­ тывается со знаком минус и вычитается из индуктивной нагрузки.

Полученные расчетные общезаводские значения макси­ мумов активной и реактивной нагрузок, коэффициентов спроса и мощности следует сравнивать с коэффициентами, полученными на действующих предприятиях или при помощи других вспомогательных методов и при больших расхождениях вносить соответствующие коррективы. Формы расчетных таблиц и примеры определения расчет­ ных нагрузок даны в приложениях Ш и ПШ .

Как показывает статистика, все предприятия, достигнув проектной производительности, продолжают ежегодно ее

увеличивать за счет повышения производительности труда,

142

рационализации производства, смены оборудования и т. д. Одновременно ежегодно увеличиваются расход электро­ энергии и максимум нагрузки.

В табл. 5-5 приведены средние темпы прироста энерго­ потребления по отрасли промышленности Горьковского района в процентах за год, полученные автором из ста­ тистики за 20 лет (1947—1967 гг.).

Статистические данные по годам составляют так назы­ ваемый динамический ряд, который выравнивается мето­ дами математической статистики. Выравнивание динами­ ческих рядов выпуска продукции и энергопотребления было проведено автором по методу наименьших квадратов для некоторых цехов Горьковского автозавода за 5 и 10 лет и по заводу в целом — за 20 лет. Все цехи (кроме терми­ ческих, переведенных на газ) показывают прирост энерго­ потребления, однако корреляционная связь с приростом продукции очень слабая. Это объясняется условиями пла­ нирования продукции в тысячах рублей. При планиро­ вании по тоннам в горячих цехах связь получается более сильной.

Завод в целом за 20 лет показывает рост энергопотреб­ ления по линейному закону, т. е. по арифметической про­ грессии с ежегодным приростом 10,7 % начального энерго­ потребления. При таком темпе прироста завод за 10 лет удваивает, а через 20 лет утраивает энергопотребле­ ние. В какой-то мере также растет максимум нагрузки, поскольку мог измениться коэффициент заполнения гра­ фика.

143

Статистический анализ по семи машиностроительным предприятиям за 11 лет (1960—1970 гг.) показал, что средний годовой прирост энергопотребления составляет 9,5% с разбросом вверх до 11,496 и вниз до 7,33%. Сред­ ний годовой прирост максимального месячного энерго­ потребления по тем же предприятиям составил 10,43% при разбросе вверх до 10,58 96 и вниз до 10,296. Прирост суточного максимума нагрузки за 8 лет по тем же пред­ приятиям составил 11,5% в год с разбросом вверх до 16,85 96 и вниз до 4,73 96.

Учет динамики нагрузки очень важен при технико-эко­ номических расчетах вариантов дальнейшего расширения системы электроснабжения, что следует иметь в виду при разработке этой системы в начальной стадии на заданную проектную мощность по производству продукции.

5-6. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПИКОВЫХ НАГРУЗОК И НАГРУЗОК МАШИН КОНТАКТНОЙ ЭЛЕКТРОСВАРКИ

При нагрузке во всех элементах системы электроснаб­ жения происходят потери напряжения, вследствие чего на приемниках электроэнергии имеет место отклонение напряжения от номинального. Потери напряжения, соот­ ветствующие максимальным расчетным нагрузкам / м, Рм и 5М, обычно рассчитываются в пределах, допустимых по имеющимся нормативам.

Нагрузка, создаваемая некоторыми потребителями электроэнергии, может сопровождаться толчками в виде отдельных кратковременных ников той или иной продол­ жительности и частоты, которые могут создать колебания напряжения, недопустимые по ГОСТ 13109-67.

Для подсчета потерь напряжения для осветительных установок с лампами мощностью до 500 Вт и электропечей нагрева пиковые нагрузки совпадают с расчетными, т. е. / пик = / м, так как имеющие место толчки тока при вклю­ чении этих нагрузок слишком кратковременны и прак­ тически не играют роли. При более мощных лампах нака­ ливания и ртутно-дуговых лампах кратность пикового тока достигает 12—14, что при ощутимой длительности может привести к отключению автоматов или перегоранию плавких вставок предохранителей, выбранных без учета пика тока.

Для асинхронных двигателей с контактными кольцами и двигателей постоянного тока учитывается толчок тока

144

наибольшего двигателя в группе, который при пуске при­ нимается равным примерно 200% его номинального тока.

Пиковый ток для группы таких двигателей, например для крановых,

скольку величина / м определялась с учетом работы наи­ большего двигателя. При большом числе двигателей этим завышением можно пренебречь, но при малом числе дви­ гателей / м следует подсчитывать для номинальных мощ­ ностей группы за вычетом мощности наибольшего двига­

теля І а лк -f- Іп у с к .м а к с “ f" 7М - ^ іД н .м а к с - Для Г р у П П Ы аСИН-

хронных двигателей с короткозамкнутыми роторами в фор­ муле (5-25) іцуск.макс берется для двигателя, дающего макси­ мальный пусковой ток. Формула (5-25) для асинхронных двигателей является не совсем точной, поскольку макси­ мальный пусковой ток и ток остальной нагрузки имеют разные коэффициенты мощности. Для более точных под­ счетов, например когда пусковая мощность двигателя близка к мощности трансформатора, следует производить геометрическое сложение токов, учитывая по данным каталогов cos <р пускового тока асинхронных двигателей с короткозамкнутыми роторами, а также синхронных дви­ гателей при асинхронном пуске (см. пример 4-1).

Особый случай пикового тока составляет ток при груп­ повом самозапуске двигателей (см. § 14-2).

Для прокатных двигателей постоянного тока пиковая нагрузка ограничивается 2,5—2,75-кратной величиной по условиям коммутации на коллекторе якоря. Для асин­ хронных и синхронных прокатных двигателей предельная пиковая мощность определяется из условий устойчивости по максимальному (опрокидывающему) моменту и при специальном исполнении синхронных двигателей может достигать 4—4,8-кратной номинальной.

Для дуговых сталеплавильных электропечей пиковая нагрузка бывает при обвалах шихты и коротких замыка­ ниях на электродах в период расплавления и может дости­ гать 3—3,5-кратной величины номинальной мощности трансформатора печи. Пиковая нагрузка, обусловленная коротким замыканием, практически получается чисто реактивной и неустойчивой. Она длится несколько секунд,

145

необходимых для автоматического подъема электродов и вывода их из положения короткого замыкания, и повто­ ряется с интервалами в десятки секунд за весь период расплавления шихты. Эта пиковая нагрузка несимме­ трична по фазам и содержит в кривой тока нерегулярные высшие гармоники.

При наличии технологической связи между отдельными прокатными двигателями или между отдельными дуговыми электропечами, работающими по достаточно жесткому технологическому графику, суммарный график пиковых нагрузок может быть построен на основании технологи­ ческого графика.

Если технологическая связь не является жесткой и пики возникают случайно, то суммарный график пиковых нагрузок для группы прокатных двигателей или дуговых электропечей определяется специальным расчетом с исполь­ зованием вероятностных методов. К последним относятся теории случайных процессов и массового обслуживания, с помощью которых выполняется математическое модели­ рование графиков пиковых нагрузок.

Особую проблему составляет расчет нагрузок машин контактной электросварки. Для них предельной пиковой нагрузкой согласно ГОСТ 297-61 является максимальная мощность, соответствующая короткому замыканию вто­ ричной цепи машины при наибольшем вторичном напря­ жении £72макС. При токе короткого замыкания электродов

соответствует номинальной ступени напряжения, в то время как. в формуле (5-26) берется максимальное напря­ жение. В зависимости от конструкции машины величина кратности пика короткого замыкания колеблется от 1,2 до 2—3 и даже выше. Режим короткого замыкания элек­ тродов машин контактной сварки не является рабочим, реально наблюдаемые величины кратности пиков состав­ ляют от 0,7 до 1,2—2.

В дальнейшем отношение пиковой мощности в момент ' сварки к номинальной мощности сварочной машины обо­ значим коэффициентом загрузки

щ

На машинах точечной и рельефной сварки 6'шш соот­ ветствует рабочему сварочному току, продолжающемуся несколько периодов и остающемуся при управлении син­ хронными контакторами постоянным по величине

Рис. 5-8. Осциллограммы токаи напряжения точечной сварочной машины типа ТСК-75.

(рис. 5-8—5-11). При асинхронных контакторах на <Sn,iK накладывается апериодическая составляющая. На маши­ нах стыковой сварки с оплавлением S am имеет место в момент осадки, как показано на рис. 5-13.

Рис. 5-9. Осциллограммы токаи напряжения точечной сварочной машины типа ТТБ-75.

Практически величина 5ШіК зависит от многих факто­ ров — режима работы, раствора электродов, сорта стали, ступени напряжения и др.

Рис. 5-10. Осциллограммы тока и напряжения шовной сварочной машины.

Машины контактной сварки относятся к потребите­ лям с резко переменным режимом и создают пиковые нагрузки с большой частотой, вследствие чего в сети возникают колебания напряжения, недопустимые для пита­ ния освещения и радиоприборов электроники. Согласно

147

ГОСТ 13109-67 колебания напряжения у ламп до 1,5% при наличии резко переменных нагрузок не ограничиваются частотой (см. пример 4-2). При других частотах колебания напряжения ограничиваются величиной ѵ( = 1 -|- 6/«, %, где п — число колебаний в час. На рис. 5-12 приведены кривые влияния мигания света в зависимости от колеба­ ния напряжения и частоты колебаний по материалам IEEE

U, В І , А ;

Рис. 5-11. График нагрузки стыковой сварочной машины соплавлением типа ССМ-750.

[Л. 1-16], из которых видно, что наиболее чувствительная для глаза частота мигания составляет 5—8 раз в секунду. При повышении частоты до «частоты слияния» (42 раза

всекунду) глаз не различает мигания, что используется

вкинотехнике, где глаз видит непрерывное изображение. Почти все машины контактной электросварки являются

однофазными с повторно-кратковременным режимом ра­ боты. Работая в группе, они создают суммарный график в виде случайных пиков большой частоты и малой продол­ жительности с паузами, заполненными некоторой средней нагрузкой (рис. 5-2). Общепринятый получасовой расчет-

148

ньш максимум нагрузки здесь не применим, и расчет для машин контактной электросварки следует вести для сле­ дующих видов нагрузки:

1)средней — для учета расхода электроэнергии и вы­ бора средств компенсации реактивной мощности;

2)среднеквадратичной — для выбора элементов сети по нагреву;

3)пиковой — для проверки выбранных по нагреву

элементов по колебаниям напряжения.

Рис. 5-12. Кривые мигания света»

1 — порог раздражения; 2 — порог видимости мигания. Аб­ сцисса А — частота колебаний; Б — время между колебаниями.

Для расчета средних нагрузок предварительно все машины распределяются по фазам AB, ВС и СА таким образом, чтобы получить наиболее равномерную нагрузку. Определяются средние мощности отдельных одноточечных, шовных и рельефных машин по формуле

где Snacn— паспортная мощность сварочной машины, кВ • А; К 3 — коэффициент загрузки сварочной машины, отн. ед.;

149