книги из ГПНТБ / Мукосеев Ю.Л. Электроснабжение промышленных предприятий учебник
.pdfних ПУЭ [Л.1-2] и ГІТЭ [Л. 1-3], оптимизации работы си стем электроснабжения но минимуму потерь энергии, уровню резервирования и др.
К аварийным переходным режимам, вызванным систем ными авариями, относятся короткие замыкания в системе, сопровождающиеся кратковременным понижением напря жения в центре питания. Такие понижения напряжения, возникающие также при коротких замыканиях в самой системе электроснабжения предприятий, вызывают отклю чение магнитных пускателей и контакторов, что может привести к большим ущербам, если не будут приняты меры к сохранению в работе соответствующих потребите лей. От аварийных режимов в энергосистеме, связанных с понижением частоты при дефиците активной мощности или качаниях генераторов, система электроснабжения предприятия не имеет защиты, но может помочь ликвида ции этих режимов отключением части потребителей сред ствами автоматической разгрузки по частоте (АЧР). В этом случае выбор потребителей, отключение которых сопро вождалось бы наименьшим ущербом, составляет важную часть расчета параметров такого режима.
В некоторых случаях для предотвращения снижения частоты при дефиците мощности в энергосистеме возможно снижение нагрузки предприятия отключением части по требителей по распоряжению диспетчера энергосистемы с минимальным ущербом. Например, мощные руднотерми ческие электропечи с нагрузкой в десятки мегаватт и боль шой теплоемкостью могут быть отключены на 1—2 ч без существенных нарушений технологического процесса.
Расчет параметров послеаварийного установившегося режима сводится к определению допустимых перегрузок трансформаторов и сетей, определяющих ограничение по мощности нагрузок потребителей. Определение парамет ров режимов и их поддержание возлагаются на диспетчер скую службу главных энергетиков промышленных пред приятий (см. гл. 15).
1-5. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОГО РАСЧЕТА
При определении оптимальных параметров систем электроснабжения промышленных предприятии необхо димо проанализировать несколько вариантов. Оптималь ный вариант определяется технико-экономическим расче-
20
том (ТЭР). Составляются варианты электроснабжения с различными схемами, напряжениями, мощностями транс форматоров и т. д. Сравниваемые варианты должны отве чать требованиям ПУЭ и других нормативных документов и быть близкими по техническому уровню.
Методика ТЭР состоит в определении приведенных го довых затрат 3, причем вариант с наименьшими затратами является оптимальным. При продолжительности строи тельства не более 1 года приведенные затраты определя
ются по формуле |
|
3 = РнК + С, |
(1-1) |
где рп = 0,12 -г- 0,15 — нормативный коэффициент эф фективности; К — единовременные капиталовложения по варианту электроснабжения; С — годовые издержки экс плуатации.
Последние определяются из выражения
С = Ср + Ср.0 + См-|-Сэ,
где Ср = рйК — отчисления на амортизацию, ра — коэф фициент амортизационных отчислений; Ср с — стоимость рабочей силы для обслуживания и текущего ремонта си стемы электроснабжения; См — стоимость материалов; Сэ — стоимость потерь энергии.
В целях упрощения расчетов величины К и С опреде ляются только для элементов систем электроснабжения, изменяющихся в сравниваемых вариантах. Например, при сравнении двух мощностей трансформаторов не учитываются выключатели, одинаковые в обоих вариан тах.
Величина, обратная нормативному коэффициенту эф фективности, выражает нормативный срок окупаемости:
7’ = -і-я«8 -т-6,7 лет.
Ра
Если строительство продолжается в течение Тс лет, то в формулу (1-1) подставляются приведенные к послед
нему году величины капитальных вложений |
[Л. 1-18]: |
|
г с |
|
|
Кщ>= 2 ^ ( 1 + Л ,п)Гс- ' , |
(1-2) |
|
t=1 |
|
|
где K t — капитальные |
вложения в t-м году; |
1 + р нп = |
= 1,08 — постоянный |
коэффициент приведения. |
21
Приведенные капиталовложения отражают ущерб на родному хозяйству из-за длительного срока строительства, при котором капитальные вложения за предыдущие годы не дают соответствующей отдачи. Величины капитальных вложений определяются по укрупненным показателям стоимости элементов электроснабжения систем, приводи мых в справочниках.
В величине годовых издержек основную роль играет стоимость потерь электроэнергии, определяемая для энер
госистем по формуле, руб., |
|
С0 = аАРы, |
(1-3) |
где ДРМ— наибольшие потери активной мощности, |
кВт; |
а — удельная стоимость потерь активной мощности, вклю чая стоимость потерь электроэнергии, руб кВт.
Значение а определяется но формуле |
|
а —б (oc/i's -f- ßr), |
(1-4) |
где kz — коэффициент совпадения |
максимума нагрузки |
предприятия с максимумом энергосистемы, определяемый по их суточным графикам; при совпадении максимумов кх — 1; а — удельные расходы, обусловленные необхо димостью расширения электростанций для покрытия по терь мощности, руб/кВт; ß — удельные затраты на рас ширение топливной базы для выработки дополнительной энергии и на оплату себестоимости ее выработки, руб/(кВт-ч); б — коэффициент, учитывающий увеличение стоимости электроэнергии в зависимости от удаленности предприятия от источника питания; т — число часов мак симальных потерь.
Значения а и ß для различных энергосистем цриведены в табл. 1-1.
|
|
Таблица 1-1 |
Объединенные энергосистемы |
а, руб/кВт |
ß, коп/(кВт-ч) |
Центра, Юга, Северо-запада, Закавказья, |
24,5 |
0.88 |
Поволжья, Урала, Северного Кавказа |
13,0 |
0.71 |
Дальнего Востока, Забайкалья, Средней |
||
Азии, Северного Казахстана |
7,5 |
0,61 |
Центральной Сибири |
22
Величины коэффициента б принимаются в следующих пределах для сетей различного напряжения:
110 кВ и в ы ш е ........................................... |
1,03—1,05 |
6—35 к В ........................................................ |
1,07—1,12 |
Для определения стоимости потерь электроэнергии внутри предприятия в отдельных случаях пользуются двухставочным тарифом на получаемую предприятием актив ную энергию, так как счетчики в этом случае одинаково учитывают полезную энергию и потери. При двухставочном тарифе с оплатой 1 кВт максимума а' руб/год и (У руб/(кВт-ч) стоимость 1 кВт-ч потерь, руб/(кВт-ч),
Cy.3 = 5 + ß ' - |
(1-5) |
1 М |
|
При подсчете годовых потерь энергии по среднегодовой |
|
потере мощности АРс за время работы Тг |
|
АИД — АРСТГ |
(1-6) |
удобнее пользоваться стоимостью 1 кВт потерь в год, руб/(кВт - год),
V == ( j^ + ß;) |
= |
с |
у . э Т г- |
(1-7) |
Величина Тг принимается |
для |
двухсменной |
работы |
|
4 000 ч, для трехсменной 6 000 |
ч |
и для непрерывной ра |
||
боты 8 000—8 600 ч в год. |
|
|
|
|
1-6. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
Электроэнергия в промпредприятиях широко применя ется для привода различных механизмов, для освещения, для различных электротехнологических установок, в ко торые входят: электротермические, электросварочные, установки электролиза, электроискровая обработка, анод но-механическая обработка, электропайка, электро фильтры, электродегидрация, электролитическое полиро вание, окраска в электростатическом поле, а также спе циальные для контроля в цеховых и лабораторных уста новках, например для просвечивания металла рентгенов ским аппаратом, и др.
23
Электроустановки каждого потребителя электроэнер гии имеют свои характерные особенности и показатели, которые определяют условия электроснабжения потреби теля.
В соответствии с ПУЭ электроприемником является электрическая часть технологической установки (электро двигатель, электропечь, электролизная ванна и т. п.), непосредственно получающая электроэнергию для тех нологического процесса. Отдельные технологические уста новки — потребители электроэнергии — могут иметь не сколько электроприемников, например мостовые краны, металлорежущие станки и т. и.
Номинальная (установленная) мощность. Главным ха рактерным показателем потребителей электроэнергии яв ляется их номинальная мощность. Для электроприводов с двигателями асинхронными и постоянного тока номи нальные мощности выражены в киловаттах. Для синхрон ных двигателей должны быть известны полная мощность, потребляемая из сети, выраженная в киловольт-амперах, и номинальный коэффициент мощности cos ср. В послед нем случае произведение к В -A cos ф дает потребляемую из сети мощность в киловаттах, которая больше отдавае мой на величину потерь в синхронном двигателе. Номи нальной (установленной) мощностью плавильных элект ропечей и сварочных машин является мощность питаю щих их трансформаторов, выраженная в киловольтамперах. За номинальную мощность двигателей-гене раторов, выпрямителей и преобразователей частоты при нимается номинальная мощность генератора, выпрями теля и преобразователя (на вторичной стороне) в кило ваттах или киловольт-амперах. Установленной мощностью для печей сопротивления, ванн электролиза и осветитель ных токоприемников является мощность, потребляемая этими установками из сети, в киловаттах.
Для электроприемников с повторно-кратковременным режимом работы за номинальную (установленную) при нимается мощность, приведенная к продолжительному режиму.
В дальнейшем номинальные (установленные) мощности одиночных приемников будем обозначать рн, в киловаттах, и sH, в киловольт-амперах, а суммарные мощности группы приемников Рн = 2рн или S н = 2s„.
Род тока. Основным током в электроустановках про мышленных предприятий (имеющих собственные электро
станции или теплоэлектроцентрали или питающихся от районных энергосистем) является переменный трехфазный ток.
Силовые токоприемники постоянного тока, как пра вило, получают энергию от преобразователя переменного тока в постоянный, вследствие чего энергия постоянного тока всегда дороже энергии переменного тока и примене ние ее должно быть технически и экономически обосно вано.
В настоящее время в электроприводе с широким регу лированием частоты вращения системы блока двига тель—генератор—двигатель (ДГД) с управлением в це пях возбуждения и управляемыми ртутными выпрями телями — двигатель (УРВД) с сеточным управлением вы теснены более совершенными системами: полупроводни ковыми выпрямителями и магнитными усилителями (ПМУ) и управляемыми полупроводниковыми вентилями — ти ристорами (УТВД) с исполнительным двигателем постоян ного тока в различных модификациях. В этих системах энергия подводится к трехфазному приводному двига телю агрегата системы ДГД (синхронному или асинхрон ному, иногда с маховиком) или к трехфазному трансформа тору ртутного или полупроводникового выпрямителя. Поэтому все приводы по системам ДГД, УРВД, ПМУ или УТВД с точки зрения электроснабжения являются потре бителями трехфазного тока. Номинальная мощность си стемы ДГД принимается по мощности тонного двигателя агрегата, а для системы УРВД, ПМУ и УТВД — по мощ ности исполнительного двигателя привода.
Главными потребителями постоянного тока являются: электроприводы с двигателями стандартного напряже ния, питающиеся непосредственно от общей сети (например, двигатели подъемно-транспортных механизмов, двигатели вспомогательных механизмов прокатных станов и др.); электролизные установки, питающиеся от специальных преобразователей с нестандартным напряжением, и внутри
заводской электрифицированный транспорт.
В системе распределения электроэнергии сами преобра зователи электролизных установок являются потреби телями трехфазного тока. То же относится к индивидуаль ным преобразователям электротехнологических установок постоянного тока — дуговым печам, сварочным установ кам и установкам анодно-механической обработки метал лов.
25
Доля постоянного тока в электроэнергии, потребляе мой промышленностью, является значительной и в отдель ных случаях, например в цветной металлургии при элект ролизе алюминия, достигает 85—90 °о.
Напряжение. Согласно действующему стандарту для распределения электроэнергии на предприятиях применя
ются следующие напряжения: переменный ток |
— одно |
|||||
фазный |
12 |
и 36 В, |
трехфазный |
36, |
220/127, |
380/220, |
(500) *, |
660, |
3 000, 6 000, 10 000, |
20 000, 35 000, |
110 000, |
||
150 000 |
и 220 000 В; |
постоянного |
тока |
220 и 440 В; си |
стема постоянного тока напряжением 440 В может быть выполнена в виде трехпроводной 2 х220 В с заземленным средним полюсом.
Системы переменного трехфазного тока напряжением 220/127 и 380/220 В согласно ПУЭ также выполняются с заземленной нейтралью, что обеспечивает величину по тенциала относительно земли на любом проводе не выше 250 В (в частности, для осветительных установок). Напря жения 12 и 36 В применяются для осветительных устано вок в помещениях с повышенной опасностью и особо опас ных; эти напряжения получаются от понижающих транс форматоров с первичным напряжением 380 или 220 В, причем один полюс вторичного напряжения 12 или 36 В должен быть заземлен для предотвращения попадания пер вичного напряжения в эту сеть при замыканиях между обмотками понижающих трансформаторов.
Системы однофазного тока 12 и 36 В, трехфазного 220/127 и 380/220 В и постоянного 2 х220 В являются си стемами с кратковременным током замыкания на землю, так как последнее немедленно влечет за собой срабатыва ние защиты: сгорание плавких предохранителей или от ключение автомата на поврежденной фазе.
При напряжениях 3 000, 6 000,10 000, 20 000 и 35 000 В нейтраль выполняется обычно изолированной или зазем ленной через дугогасящие компенсационные катушки на пряжением 3—35 кВ для уменьшения емкостных токов замыкания на землю в сетях напряжением выше 1 000 В.
Согласно ПУЭ установка всяких коммутационных и за щитных аппаратов в заземленной цепи не допускается, так как эти цепи не должны иметь разрыва по условиям техники безопасности.
* Напряжение 500 В допускается только для расширения дей ствующих установок.
26
Применение системы с заземленной нейтралью и эко номия, получаемая при этом на коммутационной аппара туре (отсутствие на заземленных проводах выключателей и предохранителей), привели к идее создания трехфазной трехпроводной сети с одной заземленной фазой и исполь зованием двухполюсной аппаратуры. Эта система полу чила название ДПЗ («два провода — земля»). Такая си стема применялась в США при напряжении 440 В. У нас такая система распространения в промышленности не получила. Неудовлетворительной показала себя в эк сплуатации система ДПЗ и в малонаселенных и сельских районах при напряжении 0—10 кВ.
Частота тока. Стандартной частотой для наших энерго систем и промышленных предприятий является частота 50 Гц, принятая также во всех европейских странах и развивающихся странах Азии и Африки, имеющих эко номические связи с Европой.
В США вначале была неудачно принята частота 25 Гц, которая сохранилась на старых гидроэлектростанциях и некоторых предприятиях. Эта частота непригодна для освещения, так как она дает стробоскопический эффект; для привода она может дать максимально 1 500 оборотов
вминуту, что недостаточно. Впоследствии в США была введена частота 60 Гц, которая принята и в других стра нах западного полушария. Международная Электротех ническая Комиссия (МЭК) признала стандартными ча стоты 50 и 60 Гц.
Электродвигатели, изготовленные для частоты 60 Гц, могут работать в сети с частотой 50 Гц, но напряжение двигателей должно быть понижено пропорционально ча стоте. Так, для работы в сети напряжением 380 В и часто той 50 Гц электродвигатели с частотой 60 Гц должны иметь номинальное напряжение в пределах 450—460 В. Соответственно уменьшению частоты уменьшится и ча стота вращения. Электродвигатели, изготовленные для частоты 50 Гц, не могут работать в сети с частотой 60 Гц;
вэтом случае необходима установка преобразователя ча стоты с 60 на 50 Гц. Трансформаторы и аппараты, изго
товленные на частоту 50 Гц, могут применяться в сети
счастотой 60 Гц.
Впромышленности применяются также пониженные частоты:
1) 0,5—1,5 Гц — для электромагнитного перемешива ния стали в электропечах;
27
2) 2—5 Гц — для контактной электросварки путем преобразования частоты и числа фаз в специальных сва рочных машинах, где энергия трехфазного тока частотой 50 Гц преобразуется в энергию однофазного тока частотой 2 - 5 Гц;
3) 10—40 Гц — для регулирования скорости электро приводов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором, например для привода роликов рольгангов в про катных станах.
В установках пп. 1 и 2 питание потребителей понижен ной частоты производится блоком преобразователь—по требитель, так что проблема распределения энергии на этой частоте отсутствует; распределительная сеть понижен ной частоты требуется лишь в установках и. 3 — для рольгангов и т. п.
Повышенные и высокие частоты применяются в про мышленности:
1) для высокочастотного электроинструмента сбороч ных цехов автопромышленности и других поточных про изводств, где повышенная частота (обычно 175—200 Гц) позволяет изготовлять электроинструмент более легким
иудобным за счет применения быстроходных двигателей;
2)для электропривода центрифуг в промышленности искусственного волокна 100—200 Гц;
3)для электропривода деревообрабатывающих стан ков, в которых для получения высоких скоростей резания
по дереву (до 20 000 об/мин) применяются частоты до
400Гц;
4)в установках индукционного сквозного нагрева
металлов для горячей штамповки и ковки — от 500 до 10 000 Гц;
5) в установках поверхностного нагрева металлов для закалки и термообработки с частотами от 2 000 до ІО6 Гц и диэлектрического нагрева неметаллических материалов (керамики, дерева, пластмасс) при частотах от 100 кГц до 100 МГц.
Только в последнем случае имеет место индивидуаль ное питание потребителя блоком от своего генератора, обычна лампового. В остальных случаях энергия распре деляется при повышенных частотах до 10 000 Гц, которые стандартизированы в СССР (ГОСТ 6697-67).
Р е ж и м р а б о т ы . Согласно ГОСТ 183-66 для электродвигателей и аналогично для трансформаторов по нагреву установлена следующая классификация режимов:
28
^ п р о д о л ж и т е л ь н ы й р е ж и м , при кото ром температура электродвигателя или трансформатора возрастает по экспоненте и устанавливается постоянной в зависимости от нагрузки через время, равное примерно трем постоянным времени нагрева обмоток;
2) к р а т к о в р е м е н н ы й р е ж и м — с неуста новившейся температурой и охлаждением после рабочего периода до температуры окружающей среды;
3) п о в т о р н о - к р а т к о в р е м е н н ы й р е - ж и м (ПКР), при котором температура повышается во время работы и снижается во время пауз, однако нагрев не превосходит допустимого, а охлаждение не достигает температуры окружающей среды.
Режим ] ІКР характеризуется величиной продолжитель ности включения (ГІВ) в процентах или долях единицы, равной отношению времени включения Ів ко времени
всего цикла |
ѵц, т. е. ко |
времени отключения |
% плюс |
время включения tB: |
|
|
|
|
ПВ |
hi |
( 1− 8) |
|
|
to"Т % Tu |
|
Величина |
Тп при ПКР должна быть не более 10 мин. |
Фактическая работа двигателей и трансформаторов внутри каждого режима проходит при изменяющейся нагрузке, вследствие чего отыскиваются эквивалентные по нагреву режимы, соответствующие нормированным продолжительным или ПКР.
Для двигателей подъемно-транспортных и других меха низмов, работающих в режиме ПКР, установлены стан дартные значения ПВ, равные 15, 25, 40 и 60%. Для машин контактной сварки ГОСТ 297-61 установлены только ниж ние пределы ПВ 20% (для стыковых машин при дли тельности цикла 20 с, точечных и рельефных — при дли тельности цикла 1 с) и Л В 50% (для шовных машин при длительности цикла 0,5—60 с). Фактические ПВ этих машин колеблются в широких пределах, начиная с ПВ = = 0,01 %, так что возникает необходимость пересчета их мощности с номинальной ПВ на фактическую.
Теоретическое соотношение между повторно-кратко временными мощностями Р1, Рг при соответствующих
ПВХ, ПВ2 и т. д. |
|
Л Vив, = в, Ѵпв, = />ПРОД1 |
(1-9) |
где Рпрод соответствует ПВ — 100 %. |
|
29