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

5. Количество недополученной энергии за период Т лет при среднем параметре потока отказов шСр, среднем времени восста­ новления tu

И + = Д / Ѵ вшсрТЛ (Р > Рог)-

При соСр = 2 раза/год, tB = 10 ч, Т = 5 лет

WH= 150 • 2 • 10 ■5 • 0,147 = 2 200 кВт • ч.

При распределении суточных максимумов по закону равно­ мерной плотности среднее значение нагрузки на участке между

Р ;и И Р о г

-Рм ~Ь Рог

и среднее значение дефицита мощности

АРср = Рср — Рог*

Для данных примера 10-2:

Соответственно количество недополученной электроэнергии при законе равномерной плотности

Wn = 100 • 2 ■10 ■5 • 0,147 = 1 470 кВт • ч.

По найденным значениям W Hможно определить ущерб, руб/год, пользуясь удельной величиной yw, руб/(кВт-ч);

y = ywWu.

Поскольку величины yw имеют значительный разброс для различных отраслей промышленности, более точным будет подсчет ущерба при известных значениях прямого ущерба, вероятного времени нарушения технологического процесса и недовыпуска продукции для каждого типа пред­ приятия. Работ в этом направлении выполнено еще недоста­ точно и в литературе мало опубликовано соответству­ ющих материалов, хотя вопрос расчета оптимального уровня надежности остается актуальным.

Задача оптимизации резервирования при рассмотрении вариантов внешнего электроснабжения получается сравни­ тельно простой, так как обычно приходится лишь рассмат­ ривать вопрос о числе питающих линий или трансформато­ ров на главных понизительных подстанциях ГПІТ.

Более сложно установление оптимальной степени резер­ вирования внутри предприятия. В этом случае необхо­ димо учитывать технологические связи между отдельными участками производства. Наличие последних усложняет

390

задачу оптимизации резервирования электроснабжения, особенно при возможности временного продолжения работы последующих участков при остановке предыдущих за счет запасов промежуточных складов. Получающиеся при этом сложные вероятностные соотношения приводят к необхо­ димости решения задач оптимизации резервирования методом статистического моделирования на ЭВМ, для чего имеются разработанные алгоритмы.

10-5. АГРЕГАТЫ РЕЗЕРВНОГО ПИТАНИЯ (АРП)

К особой категории относятся потребители, нарушение электроснабжения которых сопровождается тяжелыми последствиями (гибель людей, пожары, взрывы и т. д.). Сюда же относятся государственные учреждения особой важности, особо важные оборонные объекты, узлы связи и радиоцентры государственного значения, а также объекты гражданской обороны — бомбоубежища. В хими­ ческой, металлургической и других отраслях промышлен­ ности к этой категории относятся автоматика и КИП, задвижки и запорная арматура и т. п. (в большинстве случаев небольшой мощности).

Во многих отраслях промышленности все шире приме­ няются автоматические системы управления производством АСУП с применением электронных вычислительных машин ЭВМ, логических элементов и других устройств.

Для подобных потребителей возникает целесообраз­ ность установки агрегатов резервного питания (АРП). При этом имеется в виду, что само техническое оборудо­ вание, для которого создается такое питание, имеет высо­ кий уровень надежности, иначе усиливать резервирование электроснабжения не имеет смысла.

Хотя ПУЭ требует для I категории применения АВР при двух источниках, но сами системы АВР могут давать отказы. Далее возможны отказы одной линии при ремонте другой, хотя ПУЭ допускают не учитывать такое поло­ жение. Возможны также аварии в энергосистемах с пога­ шением питания узлов нагрузки. Поэтому возникает необходимость иметь третий источник хотя бы неболь­ шой мощности, обеспечивающей безаварийное погашение производства.

Обеспечение третьим источником возможно от ТЭЦ и ГПП при условии, что имеются две линии от разных сек­ ций ГІІП, на которой установлены два трансформатора,

391

питающиеся по отдельным линиям от энергосистемы плюс одна линия от ТЭЦ, или, наоборот, две линии от двух секций ТЭЦ разных генераторов плюс одна линия от ТПП, питающейся от энергосистемы помимо ТЭЦ.

Применяемые в качестве третьего источника АРП раз­ личаются по мощности, напряжению, роду тока, частоте, источнику энергии, длительности работы Тр, качеству напряжения и частоты, времени пуска в работу /пуск или

При установке агрегата (например, двигатель-генератор с маховиком), кинетическая энергия которого используется при отключении сети, можно получить при нарушении электроснабжения мощность до 200 кВт постоянного и переменного тока с удовлетворительным качеством напря­ жения и временем работы до 20—30 с при времени пуска /пуск = 0. Такая система удовлетворяет требованиям работы автоматики и защиты, необходимой для безаварий­ ного погашения производства. Эта система применялась также в качестве источника оперативного тока на подстан­ циях.

Аккумуляторные батареи применяются в широком диапазоне мощностей: от небольших для питания КИП, связи, освещения до 500 кВт при силовой нагрузке.

392

Длительность Тѵ может составлять от 0,5 ч и выше для мощных, более суток — для мелких батарей. Время пуска Оіусгі — доли секунды в зависимости от схемы. При необ­ ходимости получения переменного тока в этом случае требуется инвертор.

Дизельные агрегаты выполняются в большом диапа­ зоне мощностей: от 4—8—16 кВт до 1 000—1 250 кВт, максимально 3 200 кВт. Пуск стартером от аккумулятор­ ной батареи или сжатым воздухом (от 100 кВт и выше). Время пуска 15—120 с. ГОСТ 10032-69 устанавливает три степени автоматизации дизельных агрегатов. При

Рис. 10-3. Схема АРП с маховичным двигателемгенератором.

Аі и А2 — автоматические выключатели; АД — асинхронный двигатель; М — маховик; Г — генератор постоянного или переменного тока; ШРП — шины резервного питания.

третьей степени автоматизации агрегат включается авто­ матически и может работать до 150 ч без обслуживающего персонала. В качестве топлива применяется нефть; кроме того, необходимо масло для смазки, вода или воздух для охлаждения. Газотурбинные установки (ГТУ) при­ меняются авиационного типа, отработавшие ресурс лет­ ных часов (100—200 ч), но достаточно надежно работающие в условиях стационарной установки. Например, име­ ются передвижные автоматизированные электростанции ГІАЭС-1250-Т/6,3 и ПАЭС-1600-Т/6,3 мощностью 1 250 и 1 600 кВт, трехфазного тока, напряжением 6,3 кВ; они работают на керосине, дизельном топливе или природном газе; taуск —до 5 мин; Тр — до 250 ч, без обслуживающего персонала.

На рис. 10-3 показана схема двигателя-генератора с маховиком и таблица работы аппаратов в схеме. Мощ­

393

ность до 200 кВт; (пуси = 0 и Гр = 20 ч- 30 с. Генератор может быть трехфазного и постоянного тока.

Применение аккумуляторной батареи в сочетании с машинным агрегатом с маховиком показано на рис. 10-4. В нормальном режиме синхронная машина СМ работает в качестве синхронного компенсатора, предварительно запущенного с помощью двигателя постоянного тока МП и электромагнитной муфты ЭМ от аккумуляторной бата­ реи АБ, которые после пуска отключаются. При исчез-

'V

КД ШРП

Рис. 10-4. Схема АРП с маховичным машинным агрегатом и аккумуляторной батареей.

А і . A s и A3 — автоматические выключатели; В — выпрямитель; А Б —

аккумуляторная батарея; М П — машина постоянного тока; Э М — элек­ тромагнитная муфта; М — маховик; С М — синхронная машина.

новении напряжения в сети включаются электромагнитная

Напряжение трехфазного тока на шинах резервного пита­ ния ШРП сохраняется, но происходит кратковременное снижение частоты.

На рис. 10-5 представлена схема с дизелем Д, махо­ виком М и электромагнитной муфтой ЭМ. В нормальном режиме синхронная машина СМ работает в качестве ком­ пенсатора, а пускается с помощью дизеля, отключаемого затем электромагнитной муфтой. При исчезновении напря­ жения в сети синхронная машина сохраняет напряжение,

394

но снижает частоту, что служит импульсом для запуска дизеля и включения муфты ЭМ. Мощность до 500 кВт, £пуск = 5 — 10 с, 7’р — сутки и более.

'Х,

?ітс. 10-5. Схема АРП с дизелем, маховиком и электромагнит­ ной муфтой.

Схема дизельного агрегата без маховика представлена на рис. 10-6. Запуск агрегата автоматический при исчез­ новении напряжения в течение 15—120 с в зависимости от мощности, величина которой достигает 1 000 кВт. Время работы Тр — сутки и более.

'Ѵ

Рис. 10-6. Схема АРП с дизелем.

Современные системы автоматического управления про­ изводством АСУП с применением электронных вычисли­ тельных машин ЭВМ предъявляют весьма жесткие тре­ бования к бесперебойности питания, допуская длитель­ ность перерыва питания не более 0,5 Гц или 10 мс. Обеспе­ чить подобную степень бесперебойности возможно лишь

395

применением электронной и полупроводниковой техники с безынерционными устройствами и статическими преобра­ зователями энергии, позволяющими восстановить пита­

ние в течение 4—5 мс.

Схема АРП с применением статических преобразова­ телей показана на рис. 10-7. Аккумуляторная батарея АБ

АБ

Рис. 10-7. Схема АРП со статическими преобразователями и аккумуляторной батареей.

Аі, А2 и A3 — автоматические выключатели; В — выпрямитель; И — инвертор; АБ — аккумуляторная батарея.

заряжается через выпрямитель В и выдает энергию через тиристорный инвертор И в аварийном режиме.

Тиристорные инверторы для АРП выпускаются Тал­ линским заводом выпрямителей на частоту 50 и 400 Гц при мощности до 500 кВт. Время пуска (переходного процесса) несколько миллисекунд, Тр в зависимости от емкости батареи 30 мин и более.

Г Л А В А О Д И Н Н А Д Ц А Т А Я

РЕЖИМЫ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

11-1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Прохождение реактивной мощности, пульсирующей между источниками питания и электроприемниками, сопро­ вождается увеличением тока. Это вызывает дополнитель­ ные затраты на увеличение сечений проводников сетей и мощностей трансформаторов, создает дополнительные потери электроэнергии. Кроме того, увеличиваются потери напряжения за счет реактивной составляющей, пропор­

890

циональной реактивной нагрузке и индуктивному сопро­ тивлению, что понижает качество электроэнергии по напря­ жению.

Вследствие этого важное значение имеет компенсация реактивных нагрузок и повышение коэффициента мощности в системах электроснабжения промпредприятий. Нод ком­ пенсацией имеется в виду установка местных источников реактивной мощности, благодаря которой повышается пропускная способность сетей и трансформаторов, а также уменьшаются потери электроэнергии.

Промпредприятия потребляют значительную реактив­ ную мощность. Основные потребители, характер этого потребления и зависимость его от уровня напряжения при­ ведены в § 5-8 и 5-9.

Энергосистемы имеют ограниченные возможности снаб­ жения предприятий реактивной мощностью, определя­ емые располагаемой реактивной мощностью генераторов. Генераторы мощностью 100 МВт и выше имеют номиналь­ ный коэффициент мощности 0,85 или 0,9, что соответствует располагаемой реактивной мощности 62—48% активной мощности при полной нагрузке. Если учесть потери реактивной мощности в реакторах, трансформаторах и ВЛ, то реактивная мощность, которую может выдать энергосистема предприятиям в момент максимума нагрузки системы, получается еще меньше. Для сохранения нор­ мального напряжения при максимальной нагрузке необхо­ димо соблюдение баланса реактивных мощностей, который достигается за счет мероприятий, снижающих потребление реактивной мощности предприятиями от энергосистемы.

Эти мероприятия разбиваются на: мероприятия, не тре­ бующие специальных компенсирующих устройств и целе­ сообразные во всех случаях, и требующая установки спе­ циальных компенсирующих устройств для выработки реактивной мощности.

11-2. МЕРОПРИЯТИЯ ПО УМЕНЬШЕНИЮ РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК

Снижение потребления реактивной мощности самими электроириемниками и повышение естественного коэффи­ циента мощности могут быть достигнуты следующими мероприятиями:

а) повышением загрузки технологических агрегатов и использованием их по времени, сопровождающимся повы­

397

шением загрузки и коэффициента мощности электродви­

гателей; б) снижением напряжения питания асинхронных двига­

телей, загруженных не выше чем на 45%, путем переключе­ ния схемы обмоток с треугольника на звезду. При этом вра­ щающий момент и активная мощность электродвигателя уменьшаются в 3 раза, загрузка двигателя и его коэффи­ циент мощности повышаются, а потребление реактивной мощности снижается. Такое переключение возможно при напряжении обмотки двигателя 660/380 В и напряжения сети 380 В. Подобное переключение может дать значи­ тельный экономический эффект при периодическом значи­ тельном изменении нагрузки двигателя в течение суток, например, по сменам;

в) установкой ограничителей холостого хода асинхрон­ ных электродвигателей; это мероприятие целесообразно в производствах с большими длительностями межопера­ ционных периодов (работа металлорежущих станков и др.) при длительности пауз не менее 10 с, так как иначе потёри от частых пусковых токов сделают такие отключения нерациональными;

г) отключением цеховых трансформаторов, загружен­ ных менее 30%, с переводом нагрузки на другие трансфор­ маторы. Если снижение нагрузки имеет место периоди­ чески,. то отключение также целесообразно производить периодически, например, в третью смену или в выходные дни;

д) заменой систематически недогруженных асинхрон­ ных двигателей со средним коэффициентом загрузки менее 45 % на двигатели меньшей мощности, если это выпол­ нимо по конструктивным условиям. При загрузке 70% и выше снижения потерь энергии может и не получиться, так как к. п. д. двигателя тем выше, чем выше его номи­ нальная мощность. При загрузке двигателей 45—70% необходим технико-экономический расчет целесообраз­ ности замены, в котором должны быть сравнены по при­ веденным затратам потери активной энергии в двигателях и питающих сетях;

е) заменой изношенных асинхронных двигателей син­ хронными. В этом случае эффект снижения реактивной нагрузки складывается из отсутствия реактивной мощ­ ности асинхронного двигателя Qa n и появления опережа­ ющей реактивной мощности синхронного двигателя Qc д. Для вновь устанавливаемых механизмов, не требующих

398

регулирования и работающих в продолжительном режиме (насосы, компрессоры, вентиляторы), рекомендуется при­ менять синхронные двигатели.

Для большинства предприятий реактивные нагрузки получаются высокими и коэффициент мощности низким. Характерным примером ухудшения коэффициента мощ­ ности служит изменение состава нагрузок в металлурги­ ческих предприятиях. Широкое применение систем ДГД с ведущими синхронными двигателями ранее снимало проблемы, связанные с компенсацией реактивных нагру­ зок, в то время как переход на питание электроприводов от ртутных, а затем от тиристорных преобразователен значительно увеличил реактивные нагрузки с резкопере­ менным режимом.

11-3. КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА ДЛЯ РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК

Для выбора компенсирующих устройств прежде всего необходимо определить расчетную компенсирующую мощ­ ность Qi, в соответствии со значениями реактивной мощ­ ности, которую предприятие может получить из энерго­ системы Ооист-

«Руководящие указания по повышению коэффициента мощности в установках потребителей электрической энер­ гии» 1961 г. задавали нормативные значения средневзве­ шенного коэффициента мощности, полученного по пока­ заниям счетчиков активной и реактивной энергии за расчет­ ный период (месяц) в зависимости от схемы электроснаб­ жения, которые предприятия должны были обеспечить: при питании на генераторном напряжении — 0,85; при питании от сетей 35—110 и 220 кВ с двумя ступенями трансформации — 0,93 и при трех ступенях трансформа­ ции — 0,95. Практика показала, что при высоком зна­ чении средневзвешенного коэффициента мощности вели­ чина его чаще всего оказывается низкой в часы максимума нагрузки энергосистемы. Это нарушает баланс реактивных мощностей и затрудняет работу генераторов электростан­ ций, которые вследствие этого не могут выдать полную мощность в момент максимума. Сами предприятия в погоне за высоким значением средневзвешенного коэффициента мощности держат включенным компенсирующие устрой­ ства в часы малых реактивных нагрузок, что ведет к повы­

399