3. Вибір оптимальної напруги повітряних і кабельних ліній

Комплекс основних проектних процедур під час проектування ЕПС промислових підприємств разом із вибором схеми електропостачання та визначення доцільної потужності силових трансформаторів включає в себе вибір оптимальної напруги для схеми зовнішнього електропостачання з використанням дисконтованих витрат.

Дисконтовані витрати під час вибору напруги схеми зовнішнього електропостачання знаходять таким чином

(4.19)

Сумарні капітальні витрати на зовнішнє електропостачання становлять

,

(4.20)

де К_ол – вартість спорудження 1 км лінії, тис. грн/км;

l – довжина лінії, км;

К_пс–витрати на будівництво підстанцій, тис. грн;

К_ка – вартість розширення підстанції ЕЕС, тис. грн.

Експлуатаційні витрати становлять

,

(4.21)

де – експлуатаційні витрати на обслуговування ГЗП (ПГВ) і додаткових комірок вимикачів пункту живлення, тис. грн;

– довжинні експлуатаційні витрати на обслуговування ліній, тис. грн;

В_овл– вартість втрат електроенергії в лінії, тис. грн:

(4.22)

В_вт – вартість втрат електроенергії в трансформаторі, тис. грн;

(4.23)

де – відповідно потужності втрат неробочого режиму та досліду короткого замикання трансформатора, кВт;

– коефіцієнт завантаження трансформатора.

Остаточний вираз для визначення дисконтованих витрат під час вибору напруги набере вигляду

(4.24)

Під час розв’язку задачі вибору раціональної напруги в загальному випадку попередньо визначають оптимальну нестандартну напругу за мінімальними дисконтованими витратами.

Для знаходження оптимальної нестандартної напруги за трьома точками можна застосувати інтерполяційну формулу Ньютона у вигляді

.

(4.25)

Кожній стандартній суміжній напрузі мають відповідати визначені дисконтовані витрати: напрузі U₁– витратиВ₁; напрузіU₂– витратиВ₂, напрузіU₃– витратиВ₃. Дисконтовані витрати в цьому випадку мають бути визначені для кожної напруги з відповідним оптимальним перерізом, визначених за формулами (4.8) чи (4.9). Аналогічно, як і у випадку знаходження перерізу, ця задача матиме оптимальний розв’язок лише тоді, коли напрузіU₂ відповідатимуть найменші за величиною серед цих трьох точок дисконтовані витратиВ_2. Зазначимо, що ці три точки повинні вибиратися з низки стандартних напруг (10, 35, 110, 154, 220, 330) кВ.

Знайшовши мінімум поліному (4.25), отримаємо вираз для знаходження нестандартної оптимальної напруги

(4.26)

де

Якщо оптимальна нестандартна напруга, визначена за виразом (4.26) знаходиться посередині між двома стандартними, то доцільніше використати інтерполяційну формулу Лагранжа. У результаті отримаємо вираз для визначення оптимальної нестандартної напруги в такому вигляді

(4.27)

де

Остаточно вибираємо одну стандартну напругу, яка за витратами є найближчою до оптимальної нестандартної напруги.

5. Вибір схеми внутрішнього електропостачання

   1. Вибір кількості та потужності трансформаторів і компенсувальних устав

У випадку значної кількості цехових трансформаторних підстанцій, необхідно виконати вибір одиничної номінальної потужності цехових трансформаторів.

Визначальними факторами під час вибору одиничної потужності ЦТ є:

• витрати на мережу 0,4 кВ;

• втрати потужності в мережі 0,4 кВ;

• втрати потужності в трансформаторах;

• витрати на будівельну частину трансформаторної підстанції.

Тип підстанції вибирають залежно від необхідної надійності електропостачання. Для живлення електроспоживачів переважно третьої категорії застосовують однотрансформаторні підстанції з резервуванням кабельною лінією, що сполучена з шинами низької напруги найближчої сусідньої ТП. Для живлення електроспоживачів першої та другої категорій застосовують лише двотрансформаторні підстанції.

Алгоритм вибору кількості та потужності цехових ТП і КУ розроблено на підставі технічних матеріалів РТМ 36.18.32.6-92 „Указания по проектированию установок компенсации реактивной мощности в электрических сетях общего назначения промышленных предприятий”, створених у ВНДПІ „Тяжпромэлектро­проект”.

Алгоритм вибору оптимальної кількості цехових ТП і засобів компенсації реактивної потужності грунтується на мінімізації дисконтованих витрат.

Вхідними даними для визначення кількості цехових ТП і КУ є:

• розрахункове електричне навантаження промислового об’єкта в точці балансного розмежування з електроенергетичною системою;

• розрахункові навантаження до 1 кВ цехів чи групи цехових ТП;

• потужність і коефіцієнт завантаження синхронних двигунів.

Вибір засобів компенсації реактивної потужності здійснюється в два етапи:

• у межах споживання реактивної потужності від електроенергетичної системи, що не перевищує її економічного значення;

• у межах споживання реактивної потужності від електроенергетичної системи, що перевищує її економічне значення.

На першому етапі визначається:

• потужність батарей низьковольтних конденсаторів (БНК), що встановлюються в мережі до 1 кВ, згідно з критерієм вибору мінімальної кількості цехових ТП;

• розраховується реактивна потужність СД, яку економічно доцільно використовувати для компенсації реактивної потужності в порівнянні з її споживанням з ЕЕС, що не перевищує економічне значення.

Після закінчення розрахунків першого етапу складається баланс реактивної потужності в точці балансного розмежування з ЕЕС.

У разі значного небалансу реактивної потужності виконується другий етап, під час якого розглядається економічна доцільність одержання додаткової реактивної потужності шляхом збільшення потужності БНК, повнішого використання реактивної потужності СД і порівняння цих джерел зі споживанням реактивної потужності від ЕЕС, що перевищує економічне значення. На цьому етапі визначається доцільність установлення батарей високовольтних конденсаторів (БВК) у мережах 6-10 кВ (зазначимо, що БВК доцільно використовувати лише для підприємств із неперервним режимом роботи).

Під час розрахунку компенсації реактивної потужності СД ділять на дві групи:

• потужністю 2500 кВт і більше з частотою обертання понад 1000 об/хв;

• потужністю менше 2500 кВт із частотою обертання до 1000 об/хв.

Наявна реактивна потужність СД першої групи використовується повністю без техніко-економічного обгрунтування. Використання реактивної потужності від СД другої групи залежить від величини, що характеризує доцільність використання реактивної потужності СД із одночасним споживанням реактивної потужності з ЕЕС, що не перевищує чи перевищує її економічне значення.

1. Визначається базовий коефіцієнт реактивної потужності tg_е, який орієнтовно можна прийняти згідно табл. 5.1 (залежно від вищої напруги головної знижувальної підстанції ( ГЗП) чи підстанції глибокого вводу (ПГВ)):

.

(5.1)

Таблиця 5.1.

Базові коефіцієнти реактивної потужності для шин вищої напруги ГЗП (ПГВ)

Uвн, кВ	35	110–150	220–330	> 500	0,4
tgб	0,25	0,3	0,4	0,6	0,15

2. Визначається економічне значення реактивної потужності в точці балансового розмежування:

Qе = 0,9Pptge.

(5.2)

3. Визначається міра компенсації реактивної потужності та річна кількість годин використання реактивної потужності під час споживання з ЕЕС, що не перевищує економічне значенняT_мQe.

,якщо ; , якщо .

(5.3)

Значення міри компенсації реактивної потужності (залежно від вищої напруги ГЗП чи ПГВ) вибирається з табл. 5.2. Значення коефіцієнта K_м (відношення величини мінімального навантаження до величини максимального навантаження) – приймається з табл. 5.3 залежно від режиму роботи підприємства.

Таблиця 5.2.

Міра компенсації реактивної потужності для шин вищої напруги ГЗП (ПГВ)

Uвн, кВ	35	110	220	500	Генераторні шини
	0,7	0,6	0,5	0,25	0,25

Таблиця 5.3.

Відношення величини мінімального навантаження до величини максимального навантаження підприємства

Кількість змін	1	2	3	Неперервна робота
Км	0,9	0,8	0,65	0,8
Тр	2000	4000	6000	8500

де T_р– річна кількість годин робочого часу підприємства.

4. Визначається питома вартість споживання реактивної енергії, що не перевищує економічне значення, грн/квар:

СQe = d1TмQe.

(5.4)

де d₁– платня (тариф) за 1 кваргод споживаної реактивної енергії, грн/кваргод.

5. Визначається річна кількість годин максимальних втрат під час пересилання реактивної потужності

Q = Tp ((Kм –)/(1 –) +(1 – Kм )2 /(3*(1 –)2)), якщо; Q= Tp (1–)/(3*(1 – Kм )) , якщо.

(5.5)

6. Визначається питома вартість втрат активної електроенергії під час пересилання реактивної потужності від ЕЕС до ЕПС, грн/квар:

Срп=CoQ .

(5.6)

де С_о – платня (тариф) за активну електроенергію, грн/кВтгод.

7. Визначається питома вартість втрат активної електроенергії під час генерування реактивної потужності в СД і конденсаторних уставах, грн/квар:

Срг=CoTp;

(5.7)

8. Визначаються питомі витрати від втрат активної потужності в батареях високовольтних (БВК) і низьковольтних (БНК) конденсаторів, грн/квар:

Врвк = СргРбвк; Врнк = СргРбнк,

(5.8)

де Р_бвк, Р_бнк – питомі втрати активної потужності на генерування реактивної потужності БВК і БНК:Р_бвк= 0,002 кВт/квар,Р_бнк = 0,004 кВт/квар для БНК

9. Визначаються питомі витрати на компенсування реактивної потужності БВК і БНК, грн/квар:

Ввк=(aе(Свк+Св)/100 + Врвк)/Ед + Свк + Св; Внк =(аеCнк/100 + Врнк )/Ед + Снк,

(5.9)

де a_е – норма річних витрат на технічне обслуговування, %,

С_вк , С_нк – відповідно питома вартість БНК і БВК, грн/квар;

С_в – питома вартість високовольтного вимикача БВК, грн/квар.

10. Визначається кількість цехових трансформаторів (з урахуванням бажаного завантаження трансформаторів активною потужністю):

,

(5.10)

де m– кількість груп трансформаторів однакової потужності;

Р_рі – розрахункова активна потужність усіх трансформаторіві – тої групи, кВт;

_і – бажаний коефіцієнт завантаження трансформаторіві– тої групи:

• 1 категорія = (0,6 .. 0,7);

• 2 категорія = (0,7 .. 0,8);

• 3 категорія = (0,8 .. 0,95);

S_нтi – номінальна потужність трансформатора і – ої групи, яка вибирається з табл. 5.4 залежно від питомої густини навантаження цехуР_о [кВт/м²];

Отримане значення N_ті округлюється до ближчого більшого цілого числа.

11. Визначається найбільше значення реактивної потужності, яка може бути переслана через цехові трансформатори в мережу напругою до 1 кВ для заданого коефіцієнта завантаження трансформатора _і, квар:

,

(5.11)

де – розрахункова активна потужність усіх електроприймачів до 1кВ, кВт.

К_пі – допустимий коефіцієнт систематичного перевантаження трансформатора: К_п=1,1 – для олійних трансформаторів іК_п=1,05 – для сухих трансформаторів.

Таблиця 5.4.

Залежність номінальної потужності трансформатора від питомої густини навантаження цеху

Номінальна потужність	Густина навантаження	Тип трансформатора
630 кВА	Ро < 0,1	(олійний) (сухий)
1000, 1250, 1600 кВА	Ро < 0,2 Ро < 0,15	(олійний) (сухий)
1600 кВА	0,2 < Ро < 0,5 0,15 < Ро < 0,35	(олійний) (сухий)
1600, 2500 кВА	Ро > 0,5 Ро > 0,35	(олійний) (сухий)

12. Визначається потужність батарей низьковольтних конденсаторів (БНК) за критерієм мінімальної кількості цехових трансформаторів, квар:

Qнк1 = Qрнн – Qт,

(5.12)

де Q_рнн– розрахункова реактивна потужність електроприймачів до 1кВ, квар.

13. За наявності високовольтних СД перевіряється економічна доцільність їхнього використання для компенсування реактивної потужності. Коефіцієнт використання реактивної потужності СД потужністю до 2500 кВт і швидкістю до 1000 об/хв визначається за формулою:

,

(5.13)

де;

Q_ні – номінальна реактивна потужність двигуна і–тої групи, квар;

D_1i, D_2i – коефіцієнти втрат активної потужності в СДі– тої групи, кВт.

Якщо _і 1.2, то приймаємо_і = 1,2. Якщо_і 0.2, то приймаємо_і = 0, тобто використання СД для компенсації реактивної потужності є недоцільним.

14. Визначається реактивна потужність СД, яку доцільно використати для компенсування під час її одночасного споживання від ЕЕС, квар:

(5.14)

де Q_н1і – номінальна реактивна потужність СД потужністю більше 2500 кВт іn> 1000 об/хв., квар;

K_1і, K_2j – кількість синхронних двигунів у відповідній групі.

15. Визначається небаланс реактивної потужності в точці балансового розмежування підприємства з електроенергетичною системою, квар:

,

(5.15)

де коефіцієнт 0,9 – це зведення розрахункового навантаження до його математичного сподівання.

Якщо Q_ррозкласти на складові Q_р= Q_н+Q_в+Q_т, то замість коефіцієнта 0,9 маємо:

Q_н0,7Q_рн – математичне сподівання навантаження в мережі до 1 кВ;

Q_в0,8Q_рв – математичне сподівання навантаження в мережі 6-10 кВ;

Q_т0,075S_р– втрати реактивної потужності в цехових трансформаторах.

Якщо Q₁ = 0,9Q_р – Q_нк1– Q_сд1– Q_e< 0, що може мати місце у випадку встановлення у вузлі навантаження значної кількості СД, що генерують реактивну потужність, яка перевищує розрахункову реактивну потужність решти електроприймачів, то рекомендується наступне:

а) у договорі на користування електроенергією вказують граничне значення реактивної потужності, що передається в ЕЕС у години її максимального навантаження;

б) для пересилання реактивної потужності в мережі ЕЕС у години максимального та мінімального навантаження, розглядається можливість роботи СД із близьким до одиниці коефіцієнтом потужності;

в) гранична межа коефіцієнта реактивної потужності у випадку її генерування в мережі ЕЕС протягом малих навантажень приймається рівною 0,1;

г) батареї високовольтних конденсаторів не встановлюються, доцільність їхнього встановлення визначається споживачем.

Якщо баланс реактивної потужності не збігся, то розрахунок слід продовжити, враховуючи такі варіанти докомпенсування реактивної потужності:

а) докомпенсування реактивної потужності СД потужністю до 2500 кВт і швидкістю до 1000 об/хв (у випадку, якщо наявна реактивна потужність цієї групи СД не використовується під час споживання реактивної потужності від ЕЕС, що не перевершує економічного значення);

б) установлення додаткових, понад Q_нк1, устав БНК;

в) споживання реактивної потужності від ЕЕС, що перевищує економічне значення Q_e;

г) установлення у вузлах навантаження (6 - 10) кВ БВК.

Названі джерела реактивної потужності розглядаються в їхньому взаємозв’язку. Під час вибору джерел реактивної потужності слід ураховувати, що для підприємств із 1, – 2, – 3 – змінним режимом роботи рекомендується встановлювати БНК, а для підприємств із неперервним режимом роботи – БВК.

16. Розглядається доцільність додаткового використання реактивної потужності СД потужністю менше 2500 кВт і швидкістю до 1000 об/хв:

а) визначається значення величини ₁(міри компенсування), якщо забезпечується компенсування реактивної потужності, що перевищує економічне значення:

;

(5.16)

б) визначається річна кількість годин використання максимальної реактивної потужності від ЕЕС під час споживання, що перевищує економічне значення (з п. 3):

, якщо;	(5.17)
, якщо;	(5.18)

в) визначається питома вартість споживання реактивної енергії від ЕЕС під час споживання, що перевищує економічне значення, грн/квар:

,

(5.19)

де d₁– тариф за реактивну енергію, що споживається з ЕЕС, грн/квар*год;

г) визначається менше значення Rдля двох випадків за такими формулами:

• для підприємств із 1, –2, –3– змінним режимом роботи витрати на генерування реактивної потужності в СД зіставляють із витратами під час споживання реактивної потужності з ЕЕС, що перевищує економічне значення та генеруванням реактивної потужності уставами БНК

(5.20)

• для підприємств із неперервним режимом роботи витрати на генерування реактивної потужності СД зіставляють із витратами під час споживання реактивної потужності з ЕЕС, що перевищує економічне значення та генеруванням реактивної потужності уставами БВК

(5.21)

17. Визначається значення коефіцієнта за формулою (5.14) для кожної групи СД, у яких значення,знайдене в п. 13, є меншим 1.2 із використанням меншого значення R, знайденого за формулами (5.20) чи (5.21). Тоді реактивна потужність від СД визначається таким чином

,

(5.22)

де Q_н1i– номінальна потужність СДі–тої групи з потужністю до 2500 кВт і частотою обертанняn<1000 об/хв, для яких_1і1,2;K_1i – кількість СД у групі з _1і < 1,2;

Q_н2j – номінальна потужність СДj – ої групи потужністю до 2500 кВт іn< 1000 об/хв, для яких = 1,2 (з пункту 13);K_2j – кількість СД у групі з_2j = 1,2.

У такому випадку для СД, у яких значення , знайдене в п. 13, було прийняте 1.2, генерована реактивна потужність залишається без змін.

18. Визначається значення використаної реактивної потужності СД, квар:

,

(5.23)

де значення Q_сд1 – береться з п. 14.

19. Визначається небаланс реактивної потужності в точці балансового розмежування, квар:

.

(5.24)

У випадку, якщо Q₂> 0, то для підприємств із 1, –2 та 3 – змінним режимом праці розглядається доцільність установлення БНК потужністюQ_нк2:

а) визначаються питомі дисконтовані витрати від втрат електроенергії під час пересилання реактивної потужності з мережі (6, 10) кВ у мережу напругою до 1 кВ, грн/квар:

(5.25)

де значення С_рп – береться з пункту 6;

U_н – номінальна напруга мережі внутрішнього електропостачання, кВ;

– еквівалентний резистанс мережі (6-10) кВ (від шин (6 - 10) кВ ГЗП (ПГВ) чи РП і до шин 0,4 кВ цехових ТП), який визначається за формулою:

(5.26)

де – еквівалентний резистивний опір електричної мережі ЕПС;

R_тi – резистивний опір трансформатора, Ом;

N_тi – кількість цехових трансформаторів;

R_оі – довжинний резистивний (активний) опір кабельної лінії, Ом/км;

l_i – середня довжина кабельних ліній 6-10 кВ до цехових ТП, км.

Орієнтовані величини резистивних опорів трансформаторів і відповідних їм кабельних ліній наведені в табл. 5.5.

Таблиця 5.5.

Значення резистивних опорів трансформаторів і відповідних їм кабельних ліній з алюмінієвими жилами

Sнт, кВА		630	1000	1600	2500
Rт, Ом	10/0,4 кВ	1,91	1,4	0,64	0,384
	6/0,4 кВ	0,96	0,4	0,321	0,168
Rо, Ом/км		0,62	0,443	0,326	0,258

У таблиці верхня цифра стосується для трансформаторів 10/0,4 кВ, нижня –трансформаторів 6/0,4 кВ. Значення R_еiвизначається для кожної групи трансформаторів.

б) визначається значення ₂ (аналогічно з пунктом 16 a)

,

(5.27)

де значення Q_пе = Q₂(береться з пункту 19);

в) визначається річна кількості годин використання максимальної реактивної потужності під час споживання, що перевищує економічне значення (див. п. 3):

якщо;	(5.28)
, якщо;	(5.29)

г) визначається питома вартість споживання реактивної енергії, що перевищує економічне значення (аналогічно з пунктом 16 в), грн/квар:

(5.30)

д) визначається оптимальне значення реактивної потужності, яка може бути переслана через цехові ТП за критерієм мінімізації втрат активної потужності в схемі внутрішнього електропостачання, квар:

,

(5.31)

де значення В_нкбереться з пункту 9.

20. Визначається значення реактивної потужності додаткових БНК Q_нк2:

Якщо Qте 0, то	Qнк2 = Qт, але не більшеQ2.
Якщо Qте< Qт, то	Qнк2 = Qт– Qте, але не більшеQ2.
Якщо Qте > 0, то	Qнк2 = 0.

21. У випадку необхідності встановлення додаткових БНК, загальна потужність БНК на підприємствах, які працюють в 1–,2–,3– зміни визначається за формулою, квар:

(5.32)

22. Виконується аналіз балансу реактивної потужності на межі балансного розмежування з електроенергетичною системою, квар:

.

(5.33)

Здійснюється перевірка умови Q_нк  Q_рн. Однак ця умова може не виконуватись у випадку великого значення розрахункової реактивної потужності високовольтних електроприймачівQ_рв(наприклад, за наявності великої кількості високовольтних АД й індукційних електропечей). У такому випадку слід збільшити споживання реактивної потужності від електроенергетичної системи до забезпечення балансу реактивної потужності, чи передбачити встановлення БВК.

Якщо Q₃ > 0, то недостатня реактивна потужність, що перевищує економічне значення, повинна отримуватися з електроенергетичної системи.

Якщо Q₃< 0, то слід зменшити потужність додаткових БНК.

Якщо Q₃ 0,01Q_р, то розрахунок завершено.

23. Для підприємства з неперервним режимом роботи в першу чергу розглядають необхідність установлення БВК потужністю, квар:

.

(5.34)

Витрати на встановлення БВК необхідно порівняти з витратами під час пересилання з електроенергетичної системи реактивної потужності, що перевищує економічне значення.

а) визначається значення ₃(аналогічно з пунктом 16а)

,

(5.35)

де значення Q_пе =Q₂(береться з пункту 19);

б) визначається річна кількості годин використання максимальної реактивної потужності при споживанні, що перевищує економічне значення (див. п.16 б):

якщо ;	(5.36)
, якщо;	(5.37)

д) визначається питома вартість споживання реактивної енергії, що перевищує економічне значення (аналогічно з пунктом 16 в), грн/квар:

(5.38)

24. Економічно доцільне проектне вирішення визначається відношенням величин В_вкіС_Qп.

Якщо В_вк > С_Qп, то встановлення БВК є недоцільним щодо споживання реактивної потужності з ЕЕС, що перевищує економічне значення.

Якщо В_вк < С_Qп,то встановлення БВК є доцільним.