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

образования реактивных нагрузок рассмотрим, как они формируются. В соответствии с пределами точности рас­ четов, установленными для активных нагрузок, при определении реактивных нагрузок и построении их гра­ фиков во многих случаях нет необходимости учитывать реактивные потери в реакторах и линиях электропере­ дачи.

К потребителям реактивной мощности промышленных предприятий относятся установки, в которых она необ­ ходима для создания магнитных полей: 1) асинхронные двигатели; 2) сварочные машины; 3) трансформаторы подстанций, электропечей и преобразовательных агре­ гатов; 4) автотрансформаторы. Кроме того, реактивная нагрузка образуется сдвигом фаз тока и напряжения при работе вентильных преобразователей с естественной или искусственной коммутацией.

Для замеров реактивных нагрузок характерных групп потребителей обычно используются счетчики реактивной энергии, показывающие интегральную величину за время Т, квар-ч,

тг

V ^ UI sin ф dt = ^ Q dt.

оо

При Т = Тсм определяются расход реактивной энер­ гии за наиболее загруженную смену и среднесменная реактивная нагрузка QCMпри Т == 30 мин (расход реак­ тивной энергии за 30 мин) и соответствующая величина реактивного максимума.

Понятие «реактивная энергия» является условным и неточно отражает сущность физического процесса в трех­ фазных сетях переменного тока [Л. 12-2]. Особенно это имеет значение при несимметричных и несинусоидальных режимах электрических сетей. Несимметричные режимы имеют место при работе однофазных электроприемников, несинусоидальные режимы получаются при работе вен­ тильных преобразователей с естественной и особенно с ис­ кусственной коммутацией, сопровождающейся сдвигом фаз тока и напряжения, иногда несимметричным по фазам. При несимметричном режиме получаются реактивные нагрузки прямой, обратной и нулевой последовательности, которые могут быть скомпенсированы только мощностью своей последовательности. Наличие высших гармоник при несинусоидальном режиме обусловливает реактивную на­ грузку искажения (см. § 8-5).

160

Счетчики реактивной энергии дают правильные пока­ зания только при симметричных и синусоидальных режи­ мах, однако, из-за отсутствия более точных приборов эти счетчики имеют широкое применение при расчетах за электроэнергию. В дальнейшем частично используется термин «реактивная энергия» с учетом его условности.

Развитие индивидуального привода, приведшее к широ­ кому применению двигателей малой мощности вместо применявшихся при групповом приводе мощных двига­ телей, явилось причиной ухудшения коэффициента мощ­ ности; в то же время оно дало снижение расхода активной энер­ гии за счет ликвидации потерь в механических передачах и, глав­ ное, выигрыш в производитель­ ности технологических механиз­ мов. Поэтому, чем глубже идет процесс электрификации сложных машин, чем меньшие применяют­ ся двигатели, тем ниже полу­

чаются значения , cos ср, что не означает, однако, технического регресса.

На рис. 5-15 даны характери­ стики асинхронного двигателя мощностью 5,1 кВт в относитель­ ных единицах. Как видно из характеристик, потребление реак­ тивной мощности состоит из по­ стоянной слагающей Qo (ток намаг­ ничивания) и переменной слагаю­

60—85% Q, потребляемой реактивной мощности при пол­ ной нагрузке, то Q мало зависит от нагрузки двигателя и при увеличении последней от 0 до максимальной воз­ растает всего на 20%. Поэтому двигатели механизмов, работающих с прерывистой нагрузкой без отключения, имеют очень низкое средневзвешенное значение коэффи­ циента мощности.

Так, например, тихоходный двигатель прокатного стана с номинальным коэффициентом мощности 0,6 имеет средневзвешенный коэффициент мощности 0,3—0,35, что следует учитывать при выборе типа тихоходного про­

катного двигателя или другого привода с холостыми ходами.

Недогрузка асинхронного двигателя снижает его коэф­ фициент мощности, однако это вовсе не означает, что наи­ более экономичный режим асинхронного двигателя будет при 100%-ной нагрузке. При загрузке асинхронного двигателя на 70% и выше замена его на двигатель меньшей мощности является нецелесообразной; при более низком проценте загрузки (до 45%) вопрос о целесообразности такой замены решается технико-экономическим расчетом; только при нагрузке ниже 45% замена на двигатель мень­ шей мощности всегда целесообразна.

Подсчет реактивных нагрузок производится по формуле (5-13), где значение tg гр соответствует cos ф каждой харак­ терной группы. Наиболее низкое значение cos ср имеют такие потребители электроэнергии, как металлорежущие станки, краны, сварочные машины и особенно трансформа­ торы дуговой сварки. У последних значительное снижение средневзвешенного значения коэффициента мощности полу­ чается вследствие неотключаемых холостых ходов. Индук­ ционные печи промышленной частоты работают с индиви­ дуальными конденсаторными батареями при cos ср, близ­ ком к единице.

Крупными потребителями реактивной мощности явля­ ются мощные дуговые и ферросплавные электропечи за счет повышенного реактивного сопротивления трансфор­ маторов и за счет индуктивности короткой сети, для сни­ жения которой применяется продольно-емкостная ком­ пенсация (см. § 12-2). Значительными потребителями реактивной мощности являются также трансформаторы заводских подстанций; реактивная мощность, потребля­ емая ими, при полной нагрузке составляет до 10,5% и выше номинальной мощности трансформаторов.

5-9. ГРАФИКИ НАГРУЗОК И ПОТРЕБЛЕНИЯ АКТИВНОЙ И РЕАКТИВНОЙ ЭНЕРГИИ

Построение суточных и годовых графиков активной и реактивной нагрузок необходимо для выбора питающих предприятие генераторов ТЭЦ или трансформаторов ГПП, для подсчетов годового потребления активной и реактив­ ной энергии и решения вопросов компенсации реактивно» мощности и регулирования напряжения.

162

Суточные графики на действующих предприятиях стро­ ятся по записям показаний счетчиков активной и реак­ тивной энергии, производимым через каждый час в тече­ ние суток, начиная с 0 до 24 ч (рис. 5-16). Графики дают

Рис. 5-16. Суточные графики активной и реактивной на­ грузок.

средние значения нагрузок в течение часа и должны стро­ иться ступенями, а не ломаными линиями (рис. 5-17).

Наиболее непостоянной составляющей в графике явля­ ется осветительная нагрузка, зависящая от географи­ ческой широты, времени суток и года; поэтому для пред­ приятия строятся характерные графики активных и реак­ тивных нагрузок для зимнего и лет­ него рабочих дней.

После подсчетов всех активных и реактивных нагрузок с учетом знаков последних для синхронных двигателей и реактивных потерь в трансформаторах получают суммар­ ные максимумы активной и реак­ тивной нагрузок и соответствующее максимуму значение коэффициента мощности. По этим максимумам

строят суточные графики активной, реактивной и полной нагрузок.

При проектировании наиболее простым получается построение графиков при наличии характерных графиков для аналогичного действующего предприятия, активных и реактивных нагрузок без компенсирующих устройств и

сохранении общего характера производства на будущее время. В этом случае ординаты графика пересчитываются пропорционально максимумам. В график могут быть вне­ сены коррективы, если известна работа по времени отдель­ ных крупных установок, например мощного двигателя компрессора или насоса, электропечи и т. д.

При отсутствии характерных графиков следует строить их по элементам. График освещения строится в зависимости от времени года и географической широты района промышленного предприя­ тия с учетом работы смен предприятия. Затем строится график для силовой нагрузки с учетом обеденных перерывов, роста и спа­ дания нагрузки в начале и конце смены, а также количества смен и процента производственной загрузки по сменам. Графики на­ грузки крупных потребителей могут быть построены по данным тех­ нологического процесса. При построении графиков нагрузок не­ обходимы ознакомление с технологическим процессом цехов пред­ приятия и выявление всех особенностей, могущих существенно повлиять на суточный график нагрузки, — например длитель­ ность реакции в химических производствах, цикл работы дуговой электропечи и т. д. Влияние времени года также должно быть уч­ тено, поскольку летом отсутствует расход энергии на отопительные системы, повышается расход воды на охлаждающие системы и пр. Ординаты полученных таким образом графиков суммируются и составляют ординаты графика нагрузки предприятия в целом. Затем графики проверяются по отчетным данным действующих предприятий.

Графики реактивной нагрузки строят приближенно, исходя из постоянства cos ф в течение суток (при отсутствии специальных компенсирующих устройств) и пользуясь графиком активных на­ грузок. При этом получается небольшая ошибка, величина которой зависит от доли потребителей чисто активной нагрузки (освещения, электропечи нагрева, синхронные двигатели с cos ф = 1 и т. п.), которой можно пренебречь.

Для суточных графиков (рис. 5-16) характерны сле­ дующие величины:

1)часовые максимумы активной и реактивной нагрузок Ри, кВт, и QM, квар;

2)коэффициент мощности максимума cos фм, соответ­

ствующий tg фм = Q JPM',

3)суточные расходы активной и реактивной энергии ѴВсут, кВт-ч и FcyT, квар-ч;

4)средневзвешенный за сутки коэффициент мощности,

164

Годовые графики потребления активной и реактивной энергии бывают двух видов — по месяцам и упорядочен­ ные. Первые показывают потребление энергии в течение года по месяцам, начиная с января и кончая декабрем, и характеризуют сезонность работы предприятия. На рис. 5-18 показаны характерные графики по месяцам машиностроительного и химического предприятий. Для первого характерным являются спадание расхода энер­ гии в летние месяцы за счет снижения осветительных и отопительных нагрузок и повышение расходов энергии

Рис. 5-18. Годовые графики расхода энергии.

а — машиностроительная промышленность; б — химическая промышленность.

восенне-зимний сезон.

Вграфике предприятий химической промышленности

летний провал менее заметен, а бывает, что максимальное потребление электроэнергии приходится на наиболее жаркие летние месяцы вследствие резкого возрастания нагрузок, связанных с производством холода.

Имеются предприятия (например, сахарные заводы, торфопредприятия), которые работают несколько месяцев в году, что отражается в месячных графиках.

Годовые графики упорядоченные или графики по про­ должительности строятся по убывающим ординатам актив­ ной и реактивной нагрузок в течение года (рис. 5-19).

Для годовых графиков кроме максимумов нагрузки Рш

иQM характерны следующие величины:

1)годовой расход активной и реактивной энергии Wr, кВт-ч, Ѵг, квар-ч, изображаемый площадью годового графика;

165

Если известен удельный расход электроэнергии на еди­ ницу продукции юуд и ее годовой выпуск М, то годовой расход энергии, кВт-ч/год,

Wr = wynM.

В технико-экономических расчетах по сравнению вари­ антов электроснабжения и в других случаях необходимо определять потери энергии обычно в течение года.

Для электросетей и реакторов годовые потери энергии

где ДРМ— потеря активной мощности при максимуме нагрузки Рм; І ш— максимальный ток, А; R — сопро­ тивление фазы сети или реактора, Ом; т — число часов использования максимума потерь (время потерь).

Определить точное значение т по выражению

трудно, так как связано с интегрированием квадрата на­ грузки по току I или полной мощности S за год.

До последнего времени применялось определение т по кривым (рис. 5-20) в зависимости от Гм и cos ф. ,С достаточ­ ной для практики точностью можно подсчитать т по выра­ жению, учитывающему коэффициент мощности максимума:

где Гм — число часов использования максимума полной нагрузки S м, определяемое приближенно по формуле

Годовые потери активной энергии в трансформаторах, кВт-ч/год,

где АРх х — потери холостого хода (потери в стали), кВт; Гвкл — время включения в течение года, ч; ДРк.з —

167

потери короткого замыкания (в обмотках трансформатора) при полной нагрузке, кВт; тт — число часов использования максимума потерь в трансформаторе [определяется по формуле (5-42)]; К 3 — коэффициент загрузки в долях еди­ ницы.

Годовые потери реактивной энергии в трансформаторах определяются аналогично потерям активной энергии, квар -ч/год,

где / 0 и ик— ток холостого хода и напряжение короткого замыкания трансформаторов, %,

Рис. 5-20. Зависимость числа часов использования максимума потерь т от числа часов использования мак­ симума нагрузки Тм при различных значениях cos ср.

Активные и реактивные нагрузки промпредприятий для различных потребителей при отклонении напряжения от номинального значения изменяются по-разному (рис. 5-21 и 5-22). Кривые изменения активных и реактивных нагру­ зок в зависимости от напряжения называются статическими характеристиками нагрузок. Для основной массы потреби­ телей — асинхронных двигателей — при снижении напря­ жения реактивная нагрузка падает быстрее активной, а при повышении напряжения реактивная нагрузка растет быст­ рее активной, в результате чего при отрицательных откло­ нениях напряжения коэффициент мощности нагрузки воз­ растает, а при повышении напряжения падает. Это следует

168

учитывать при построении графиков для периодов малой нагрузки и при расчетах по регулированию напряжения. Ошибка в определении мощности конденсаторных батарей, необходимых для повышения напряжения до нормального

пенсирующих установок и незначительной мощности син­ хронных двигателей имеют место соотношения

Вследствие этого для большинства групп потребителей и предприятий в целом средневзвешенное значение есте­ ственного коэффициента мощности (при отсутствии компен­ сирующих установок), как правило, ниже его значения в период максимума, т. е. cos cos® r.

169