Посібник

живлення, але тривалість аварійної перерви електропостачання допустима на час, необхідний для увімкнення резервного живлення діями чергового персоналу або виїзної оперативної бригади. До цієї категорії відносяться електроприймачі переважної більшості промислових підприємств, школи, окремі сільськогосподарські підприємства тощо.

До ІІІ-ї категорії відносять електроприймачі, які не належать до І-ї та ІІ-ї категорій. Це електроприймачі складів, ремонтних та допоміжних цехів підприємств, частина електроприймачів сільського господарства тощо. Їх можна забезпечувати електроенергією від одного джерела за умови, що перерва в електропостачанні, яка необхідна для ремонту або заміни пошкодженого обладнання системи електропостачання, не перевищує однієї доби.

2.7. Графіки електричного навантаження

Електричним навантаженням називають потужність, яку споживають окремі приймачі, або група приймачів, або підприємства в цілому у певний момент часу. У випадку змінного струму повна потужність має активну та реактивну складові, тому розрізняють повне, активне і реактивне навантаження. На практиці поняття навантаження розповсюджують також на електричний струм (струмове навантаження), а в деяких випадках – на електричний опір або електричну провідність.

Одною з важливих характеристик роботи споживача є його графіки навантаження – це залежності активної, реактивної та повної потужностей (або струму) від часу енерговикористання (у вигляді графічного зображення). Графіки навантаження наочно показують зміну потужності електроустановки протягом певного проміжку часу (за виробничий цикл, за зміну, добу, місяць, рік).

Реєструвати зміну навантаження можна за допомогою самописних приладів неперервної дії (рис.2.7, а), або дискретної дії (рис.2.7, б), а також за показами приладів (амперметрів, ватметрів) або лічильників через однакові проміжки часу. Прилади показують випадкове значення навантаження в кінці кожного проміжку часу, тому за певних умов може ордината графіка може зазнавати суттєвих змін (наприклад, під час пуску потужного двигуна). За таких умов графік має вигляд ламаної лінії, яка з’єднує зафіксовані точки (рис. 2.8, а).

41

а) б) Рис.2.7. Графіки активного навантаження, записані самописним приладом

неперервної дії а) та дискретної дії б)

а) б) Рис.2.8. Графіки навантажень за показами приладів:

а) ватметра; б) лічильника

Для визначення потужності за показами лічильників кількість електроенергії (кВт·год) за конкретний проміжок ділять на тривалість цього проміжку часу (год). Так отримують середню потужність за цей проміжок часу. Графік навантаження матиме ступінчастий вигляд (рис.2.8, б). Зі зменшенням інтервалу вимірювання графік буде точніше відтворювати реальне навантаження.

Хронологічними називають графіки, які побудовані у функції поточного часу. Іноді для полегшення аналізу або у випадках, коли графік охоплює велику кількість періодів однакової тривалості (наприклад, у випадку річних графіків, які охоплюють 365 добових графіків),

застосовуються упорядковані графіки, або графіки за тривалістю навантажень (рис.2.9). На таких графіках навантаження розташовують за тривалістю використання у порядку зменшення їх значення .

Графіки навантажень поділяють на індивідуальні та групові. Вид індивідуального графіка залежить від режиму роботи (рис.2.10). Розрізняють такі типи індивідуальних графіків та відповідні їм режими роботи приймачів: 1) періодичні; 2) циклічні; 3) нециклічні.

P

t, год

8760

Рис.2.9. Річний графік навантажень за тривалістю

Перший тип (рис.2.10, а) графіка відповідає строго ритмічному процесові з однаковою тривалістю циклу tц, часу увімкнення tр і часу пауз

42

tо . Він характерний для автоматизованого виробництва з жорсткою програмою.

Рис.2.10. Типи індивідуальних графіків: а) періодичний; б) циклічний; в) нециклічний

Другий тип (рис.2.10, б) відповідає неавтоматизованому але циклічному виробництву; періодичність порушена зміною тривалості пауз (t01 t02 t03) за однакових tр. У такому разі визначають середню тривалість

циклу tц.с.

Третій тип (рис.2.10, в) відповідає виробництву, в якому технологічні операції строго не регламентовані, тому тривалість споживання потужності на окремих ділянках графіка змінюється. Нециклічні графіки мають хаотичний вигляд. Однак, оскільки відповідні електроприймачі виконують певний обсяг роботи, то для них характерною є стабільність кількості спожитої енергії.

На практиці замість графіків навантаження використовують параметри та коефіцієнти, які характеризують ці графіки.

2.8. Фізичні параметри та коефіцієнти, що характеризують графіки навантажень

Розрізняють максимальне навантаження та розрахункове навантаження окремих електроприймачів чи їх груп.

Максимальне навантаження – це найбільше значення активної, реактивної, повної потужності чи струму за певний період часу.

За тривалістю розрізняють два види максимальних навантажень:

–максимальні тривалі навантаження тривалістю 10, 30, 60 хв, які використовують для вибору елементів електропостачальної системи з умов нагрівання та для розрахунку максимальних втрат потужності та напруги;

–максимальні короткочасні навантаження (пікові) тривалістю 1–2 с,

які використовують для розрахунку коливань напруги, перевірки мереж за умов пуску та самозапуску двигунів, вибору уставок захистів тощо.

Для аналізу режимів та проектування систем електропостачання необхідно знати розрахункове значення потужності (навантаження), яке еквівалентне змінному навантаженню за тепловою дією.

43

Розрахунковою потужністю за допустимим нагріванням називають таку незмінну в часі потужність елемента електропостачальної системи, яка еквівалентна дійсній змінній потужності за тепловою дією.

Розрахункове навантаження за максимальною температурою – таке незмінне в часі значення струму Ір1, яке перегріває провідник відносно температури довкілля, так само, як і змінне навантаження І(t).

На практиці широко застосовують поняття розрахункового активного навантаження Рр, хоч нагрівання провідника обумовлене повним струмом. Це пояснюється тим, що для статистичних досліджень в умовах експлуатації графіки Р(t) отримати значно простіше, ніж графіки I(t).

Струмовідні частини (провідники) під дією струму нагріваються поступово. На швидкість нагрівання впливає теплова інерція, яка характеризується сталою часу нагрівання τн. Час, що дорівнює трьом сталим часу (τ=3τн) прийнято як інтервал усереднення розрахункового навантаження. Значення сталої часу нагрівання для провідників малих і середніх перерізів близьке до 10 хвилин, тому тривалість періоду осереднення для визначення розрахункового навантаження прийнято 30 хвилин.

Якщо стала часу нагрівання якогось елемента суттєво відрізняється від прийнятої (τн=10 хв), то розрахункове півгодинне навантаження необхідно звести до розрахункового навантаження іншої тривалості.

Таким чином, розрахунковим навантаженням вважають максимальне середнє навантаження за інтервал часу, що дорівнює трьом сталим часу

нагрівання: Рр = РСМАХ (рис. 2.11).

Розрахункове навантаження використовується не тільки для вибору апаратів та перерізів струмовідних частин, але і для техніко-економічних розрахунків, де розраховують кількість спожитої електричної енергії та кількість втрат енергії у системі електропостачання.

Середнє навантаження – це така незмінна потужність, за використання якої споживається така ж кількість електроенергії, як за змінної потужності за графіком навантаження. В розрахунках

44

використовують значення середньої активної Рс та реактивної Qс потужностей, визначені за певний період часу: за рік, за добу або за найбільше завантажену зміну. Кількість спожитої електроенергії за період

o

Можна використати також ступінчастий графік (рис.2.8) і визначити середню потужність за формулою:

де: Т — період, що розглядається (год); Рі — потужність окремого ступеню (кВт); ti — тривалість цього ступеню (год); n- кількість ступенів.

Середню потужність можна визначити за показами лічильника WТ за період часу Т за формулою:

Pc WTT .

Для характеристики графіків навантаження застосовують також: час використання максимального навантаження та час найбільших втрат.

Час використання максимального навантаження ТМ – це такий час,

протягом якого за умови споживання електроенергії з максимальним (розрахунковим) навантаженням Рр кількість спожитої електроенергії дорівнює кількості електроенергії, спожитої за дійсний час зі змінним навантаженням. Споживання електроенергії, наприклад, за період Т можна визначити з виразів

0

Звідси можна визначити час використання максимального навантаження ТМ як результат ділення кількості спожитої енергії WT на значення розрахункової потужності Рр.

Якщо графік навантаження поданий у вигляді ступеневої функції часу, час використання максимального навантаження розраховують за такою формулою:

45

На практиці визначають і використовують це поняття стосовно річного періоду для активної (Тм) та реактивної (Тм.р) розрахункових потужностей.

Час найбільших втрат τ – це такий час, протягом якого за максимального навантаження втрати електроенергії у системі електропостачання мають таке ж значення, що і за змінного навантаження протягом періоду, що розглядається (звичайно за рік). Оскільки втрати електроенергії залежать від квадрату повної потужності S, то час найбільших втрат визначається з формул:

Звідси визначають час найбільших втрат

Коефіцієнт використання активної потужності (коефіцієнт використання) одного приймача kв або групи електроприймачів Kв - це відношення середньої активної потужності окремого приймача рс або групи Рс за певний період часу, наприклад, цикл tц чи Тц до відповідної номінальної потужності рн або Рн, тобто

Коефіцієнтом увімкнення електроприймача ky називають відношення тривалості увімкненого стану tу за час циклу до тривалості циклу tц. Оскільки час увімкненого стану приймача за цикл складається з часу роботи tР та часу неробочого ходу tо, можна записати:

Коефіцієнт завантаження електроприймача kз за активною потужністю називається відношення середньої активної потужності рсу за час увімкнення tу протягом часу циклу tц до його номінальної потужності

рн:

Коефіцієнт максимуму - відношення розрахункового навантаження Рр до середнього Рс (він стосується групових графіків):

K м Pp . Pс

В інженерній практиці коефіцієнт максимуму, як і коефіцієнт використання, визначають для найбільше завантаженої зміни –

46

загальноприйнятого розрахункового періоду, для якого визначаються розрахункові навантаження.

Коефіцієнт попиту - відношення розрахункової потужності Рр до номінальної Рн за груповий цикл або зміну:

Kп Pp . Pн

Він безпосередньо пов’язує розрахункову максимальну потужність з номінальною потужністю без врахування властивостей графіка, які залежать, наприклад, від кількості електроприймачів та режимів їх роботи.

Дуже легко встановити наступну залежність:

Kп Kв Kм ,

тобто коефіцієнт попиту дорівнює добутку коефіцієнтів використання та максимуму.

Коефіцієнт одночасності максимумів навантажень Kом – це відношення сумарного розрахункового навантаження Рр до суми розрахункових максимумів навантажень окремих груп приймачів, які входять в цей вузол системи електропостачання:

Цей коефіцієнт характеризує зміщення максимумів навантажень окремих груп приймачів у часі, що спричиняє зменшення сумарного максимуму навантаження вузла.

47

-установки електролізу та нанесення покрить (гальванопластика та гальваностегія);

-установки електроерозійного та електрохімічного оброблення металів;

-електричні фільтрувальні установки для видалення пилу з газів і деякі інші установки.

3.1.1. Установки резистивного нагрівання

В установках резистивного нагрівання електрична енергія перетворюється у тепло на активному опорі нагрівних приладів чи безпосередньо у матеріалі, що підлягає нагріванню. Їх поділяють на установки промислового та побутового призначення. Основна відмінність між ними полягає у значенні потужності приладу.

Установки промислового резистивного нагрівання - електричні печі резистивного нагрівання (печі опору) різноманітного призначення та конструкції. Це лінійні електричні навантаженнями. Вони бувають однофазними і трифазними. Трифазні печі це симетричні трифазні електроприймачі з високим коефіцієнтом потужності. Вони мають малу кратність пускового струму, нечутливі до коливань напруги та її форми, допускають короткочасну перерву живлення і тому не створюють суттєвих проблем при проектуванні їх електропостачання. Однофазні потужні печі можуть створювати несиметричне навантаження трифазної електромережі, тому для зменшення ступеня асиметрії застосовують певні схемні та організаційні вирішення. Принцип роботи таких печей буде розглянуто нижче на прикладі приладів побутового призначення.

3.1.2. Дугові сталеплавильні печі

Будова трифазної електродугової печі зображена на рис. 3.1.

У такій печі переплавляється металобрухт під дією енергії електричної дуги, що горить між електродами і металобрухтом. На певному етапі роботи печі рідкий метал очищують від шкідливих домішок

івносять легуючі матеріали для надання йому потрібних властивостей.

Зточки зору електроспоживання дугові сталеплавильні печі мають певний негативний вплив на мережу живлення через велику потужність, що сягає десятків мегават, нелінійність опору електричної дуги, низький коефіцієнт потужності, зумовлений індуктивним опором трансформатора та короткої мережі печі (на рисунку не показані), через раптові зміни активної і реактивної потужності (особливо на першому етапі – етапі розтоплення шихти), несиметричне завантаження фаз тощо.

49

Дугові печі постійного струму, які живляться від потужних тиристорних випрямлячів, що увімкнені між пічним трансформатором і піччю можна вважати симетричним навантаженням трифазної мережі. Однак наявність нелінійних вентильних перетворювачів спричиняє спотворення форми струму і напруги мережі.

Особливі проблеми викликають однофазні дугові печі змінного струму, створюючи значну асиметрію навантаження та спотворюючи криву струму навантаження.

3.1.3. Індукційні електричні печі

Індукційні установки застосовують для нагрівання металевих виробів, виплавлення кольорових та чорних металів з металобрухту, виробництва певних сортів скла тощо. Тепло у таких установках виділяється на активному опорі завантаженого металу індукованим у ньому струмом. Для створення змінного магнітного поля використовується індуктор, по якому протікає змінний струм від мережі живлення. Утворений ним магнітний потік, пронизує метал, що завантажений у піч, і індукує у ньому струм. Кількість тепла, що виділяється у металі пропорційна другому степеню індукованого струму, опору металу та часу проходження струму. Для підсилення параметрів магнітного поля застосовують магнітопровід з феромагнітного матеріалу.

На рис. 3.2. показана спрощена будова індукційної печі канального типу, у якій метал плавиться у спеціально влаштованому каналі з вогнетривких матеріалів.

Індукційні установки не викликають особливих проблем для системи електропостачання, за винятком значного споживання реактивної потужності, співмірної за значенням з активною (корисною) потужністю.

50