ВЭМС_ЗФ_2014 / ВЭМС_1-3_2014

21

направлениях ЭДС и тока - генераторный. Граничными между двигательным и генераторным являются режимы холостого хода и короткого замыкания, в которых одна электрическая и одна механическая переменные равны нулю. При холостом ходе нулю равны ток и момент, а при коротком замыкании - ЭДС и скорость.

При режиме холостого хода двигатель вращается свободно и не получает энергии ни из электрической сети, ни с вала. Режим короткого замыкания возникает при ω = 0 и E = 0. В этом режиме электрическая энергия, поступая из сети, рассеивается в виде тепла в обмотках двигателя. Механическая энергия с вала ДПТ не отдается, так как ω = О.

Возможные режимы работы ЭП отличаются многообразием по характеру и длительности циклов, значениям нагрузок, условиям охлаждения, соотношения потерь в период пуска и установившегося движения и т.п., поэтому изготовление электродвигателей для каждого из возможных режимов работы электропривода не имеет практического смысла. На основании анализа реальных режимов выделен специальный класс режимов - номинальные режимы, для которых проектируются и изготавливаются серийные двигатели.

Данные, содержащиеся в паспорте электрической машины, относятся к определенному номинальному режиму и называются номинальными данными электрической машины. Заводы-изготовители гарантируют при работе электродвигателя в номинальном режиме при номинальной нагрузке полное использование его в тепловом отношении.

22

2 Источники электрической энергии ЭМС

2.1 Энергетические ресурсы и источники электрической энергии

Источник энергии — устройство, предназначенное для обеспечения технических систем электрическим питанием.

Различают первичные и вторичные источники питания.

К первичным источникам относят преобразователи различных видов энергии в электрическую.

Вторичные источники энергии — вещества, обладающие энергетическим потенциалом и являющиеся побочными продуктами деятельности человека. К ним относятся отработанные горючие органические вещества, горючие отходы, горячий отработанный теплоноситель (газ, вода, пар), нагретые вентиляционные выбросы, отходы сельскохозяйственного производства и др.

Для систем ЭП могут применяться два основных класса первичных источников, различающихся по виду преобразуемой энергии:

1)физические, преобразующие различные виды физической энергии в электрическую:

- генераторы, приводимые в движение естественными природными источниками энергии (вода, ветер) и искусственными (пар, двигатель внутреннего сгорания);

- солнечные батареи, преобразующие солнечный свет в электричество;

2)химические источники – преобразующие энергию химических реакций

вэлектрическую.

2.2 Физические источники электрической энергии

Физические источники тока - устройства, преобразующие тепловую и механическую энергию, а также энергию радиационного излучения и ядерного распада в электрическую. К таким источникам тока относятся электромашинные генераторы, термоэлектрические генераторы и термоэмиссионные преобразователи, магнитогидродинамические генераторы, солнечные и ядерные батареи.

Основными источниками электроэнергии являются генераторы электрического тока, приводимые в действие паровой и газовой турбиной (турбогенераторы), двигателем внутреннего сгорания, чаще дизелем (дизельгенератор), гидротурбинами (гидрогенераторы). На их долю приходится св. 95 % всей вырабатываемой электроэнергии. Мощность турбогенераторов достигает 800—1200 МВт, гидрогенераторов – 500–650 МВт, дизельгенераторов – 10 МВт. Турбо- и гидрогенераторы устанавливают соответственно на тепловых электростанциях и гидроэлектрических станциях, а дизель-генераторы применяют на передвижных электростанциях и в качестве резервных или временных источников электроэнергии.

23

С сер. 60-х гг. XX в. всё большее значение приобретают солнечные батареи. Одна такая батарея представляет собой панель, на которой размещается от нескольких десятков до нескольких тысяч электрически соединённых между собой фотоэлементов, которые под действием солнечного света генерируют ЭДС (фотоЭДС). Наиболее широко солнечные батареи используются на космических аппаратах и орбитальных станциях, применяют их и для отопления и электроснабжения небольших жилых домов (где солнечные батареи размещают на крышах), для обеспечения электроэнергией электромобилей, измерительных приборов, часов, микрокалькуляторов и т. д. Напряжение, создаваемое солнечными батареями, достигает десятков вольт, а мощность – нескольких киловатт.

Созданные в конце 1950-х гг. в США и СССР магнитогидродинамические генераторы показали принципиальную возможность прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, но распространения они пока не получили. Мощность экспериментальных и полупромышленных установок с МГДгенераторами составляет 25–50 МВт. Термоэлектрогенераторы (ТЭГ) и термоэмиссионные преобразователи (ТЭП) используются гл. обр. как временные источники тока, хотя сфера их практического применения достаточно широка: в технике связи, медицинских приборах, на транспорте и пр. Их мощность от нескольких десятков ватт до сотен киловатт.

В ядерных батареях используется кинетическая энергия электронов, образующихся при b– распаде. Такие источники тока имеют хорошую перспективу, однако в XX веке работы по их созданию так и не вышли за пределы эксперимента.

2.3Классификация систем энергоснабжения и основные требования

кним

Электроснабжение – обеспечение потребителей электрической энергией. Система электроснабжения (СЭС) - совокупность устройств для

производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

В настоящее время большинство потребителей получают электроэнергию от энергосистем (централизованное электроснабжение).

Передача электрической энергии от электрических станций до потребителей осуществляется по электрическим сетям. С технической точки зрения, электрическая сеть представляет собой совокупность линий электропередачи (ЛЭП) и трансформаторов, находящихся на подстанциях.

Линии электропередачи представляют собой металлический проводник, по которому проходит электрический ток. В настоящее время практически повсеместно используется переменный трехфазный ток. Поэтому линия электропередачи состоит из трёх фаз, каждая из которых может включать в себя несколько проводов. Конструктивно линии электропередачи делятся на воздушные и кабельные.

24

Воздушные линии (ВЛ) подвешены над поверхностью земли на безопасной высоте на специальных сооружениях, называемых опорами. Провод на воздушной линии не имеет поверхностной изоляции; изоляция имеется в местах крепления к опорам. На воздушных линиях имеются системы грозозащиты. Основным достоинством воздушных линий электропередачи является их относительная дешевизна по сравнению с кабельными. Недостатки воздушных ЛЭП:

-полоса отчуждения - в окрестности ЛЭП запрещено ставить какие-либо сооружения и сажать деревья;

-незащищённость от внешнего воздействия (падения деревьев, воровства проводов), поэтому на одной воздушной линии часто оборудуют две цепи: основную и резервную.

Кабельные линии (КЛ) проводятся под землёй. Электрические кабели имеют различную конструкцию, однако можно выявить общие элементы. Сердцевиной кабеля являются три токопроводящие жилы (по числу фаз). Кабели имеют как внешнюю, так и междужильную изоляцию. Обычно в качестве изолятора выступает трансформаторное масло в жидком виде, или промасленная бумага. Токопроводящая сердцевина кабеля, как правило, защищается стальной бронёй. С внешней стороны кабель покрывается битумом. Бывают коллекторные и бесколлекторные кабельные линии. В первом случае кабель прокладывается в подземных бетонных каналах — коллекторах. Через определённые промежутки на линии оборудуются выходы на поверхность в виде люков — для удобства проникновения ремонтных бригад в коллектор. Бесколлекторные кабельные линии прокладываются непосредственно в грунте. Бесколлекторные линии существенно дешевле коллекторных при строительстве, однако их эксплуатация более затратна в связи с недоступностью кабеля. Главным достоинством кабельных линий электропередачи является отсутствие широкой полосы отчуждения. Кабельные линии лучше воздушных защищены от внешнего воздействия. К недостаткам кабельных линий электропередачи можно отнести высокую стоимость строительства и последующей эксплуатации. Кабельные линии менее доступны для визуального наблюдения их состояния.

2.4 Структура и компоненты питающей электрической сети

Система электроснабжения (СЭС) – совокупность электроустановок, предназначенных для обеспечения потребителей электрической энергией.

Упрощенная схема электроснабжения объекта включает:

−источник питания (ИП);

−линии электропередачи (ЛЭП), осуществляющие транспорт электрической энергии от ИП к предприятию;

−пункт приема электрической энергии (ППЭ);

−распределительные сети;

25

−приемники электрической энергии (ЭП).

Систему электроснабжения предприятия можно условно разбить на 3 части: систему питания, систему распределения и систему потребления.

В качестве источников питания могут быть:

-электрическая станция или подстанция энергосистемы;

-электрическая станция предприятия.

Собственная электростанция на предприятии создается в следующих случаях:

-при большом потреблении тепловой энергии;

-при размещении предприятия в удаленных районах, имеющих слабые электрические связи с энергосистемой;

-при наличии специальных требований к надежности электроснабжения; При выборе источника питания необходимо учитывать следующее:

-признаки качества электроснабжения (надежность, напряжение, частота

идопустимые пределы их отклонения);

-величину мощности и напряжения питания потребителей.

В качестве пункта приема электроэнергии могут быть:

-подстанция глубокого ввода (ПГВ), служит, как правило, для питания локального объекта или мощного обособленного производства предприятия и находится в центре электрических нагрузок объекта (производства).

-главная понизительная подстанция (ГПП), служит для питания нескольких потребителей (объектов).

Схемы с одним пунктом приема электроэнергии следует применять при отсутствии специальных требований к надежности питания электроприемники

икомпактном их расположении на территории предприятия.

Схемы с двумя и более пунктами приема электроэнергии следует применять:

-при наличии специальных требований к надежности электроснабжения;

-при наличии на предприятиях двух и более относительно мощных обособленных групп потребителей;

-во всех случаях, когда применение нескольких пунктов приема электроэнергии целесообразно по экономическим соображениям;

-при поэтапном развитии предприятия, когда для питания вновь вводимых мощных узлов нагрузок в будущем целесообразно сооружение отдельного ППЭ.

Питание пункта приема электроэнергии при наличии электроприемников первой категории осуществляется от двух независимых взаимно резервирующих источников питания. При этом питание осуществляется по двум одноцепным воздушным линиям или по двум кабельным линиям, проложенным по разным трассам.

При выходе из строя одной линии оставшаяся в работе должна обеспечить питание всех электроприемников первой категории, а также электроприемников второй и третьей категорий, работа которых необходима

26

для безаварийного функционирования основных производств технологического процесса предприятия.

2.5 Классификация электрических сетей и электроприемников

Электроприемником (ЭП) называют электрическую часть установки, получающую электроэнергию от источника и преобразующую ее в другие виды энергии: механическую, тепловую, химическую, световую, энергию электромагнитного и электростатического полей.

По роду тока приемники электроэнергии делятся на группы, использующие:

−постоянный ток;

−переменный ток;

−импульсный ток.

По номинальному напряжению ЭП делятся на:

−приемники напряжением до 1000 В – низковольтные ;

−приемники напряжением выше 1000 В - высоковольтные. По режиму нейтрали:

−с глухозаземленной нейтралью;

−с эффективно заземленной через активное сопротивление нейтралью;

−с компенсированной индуктивностью нейтралью;

−с изолированной нейтралью.

По величине токов замыкания на землю:

−с малыми токами (до 500 А);

−с большими токами (более 500 А).

По частоте ЭП делятся на группы, использующие:

−промышленную частоту (50 Гц);

−повышенную частоту (от 50 Гц до 10 кГц);

−пониженную частоту (до 50 Гц};

−высокую частоту (более 10 кГц).

По виду графиков нагрузки электроприемники подразделяются на группы по сходству режимов работы:

−приемники, работающие в режиме продолжительно неизменной или мало меняющейся нагрузки. В этом режиме электрическая машина или аппарат могут работать продолжительное время без повышения установившейся температуры отдельных частей выше допустимой(электродвигатели насосов, вентиляторов, компрессоров и т.п.);

−приемники, работающие в режиме кратковременной нагрузки. В этом режиме рабочий период электрической машины или аппарата не настолько длителен, чтобы Температура отдельных частей могла достигнуть установившегося значения. Период остановки настолько длителен, что машина или аппарат практически успевают охладиться до температуры окружающей среды(электродвигатели электроприводов вспомогательных механизмов металлорежущих станков, гидравлических затворов и т.п.);

27

− приемники, работающие в режиме повторно-кратковременной нагрузки. В этом режиме кратковременные периоды работы чередуются с кратковременными периодами отключения. Повторно-кратковременный режим работы характеризуется относительной продолжительностью включения(ПВ) и длительностью цикла tц. В таком ре-жиме электрическая машина или аппарат могут работать с допустимой для них продолжительностью включения неограниченное время без повышения температуры отдельных частей выше допустимой(электродвигатели кранов, сварочные аппараты и т.п.).

По степени симметрии нагрузка ЭП электроэнергии может быть трехфазной симметричной(двигатели, трехфазные печи) и несимметричной однофазной или двухфазной, если ее не удается распределить между фазами равномерно(освещение, однофазные сварочные трансформаторы).

По надежности и бесперебойности питания потребители электроэнергии делятся на три категории:

1)потребители первой категории − приемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь за собой опасность для жизни людей или большой материальный ущерб, связанный с повреждением оборудования, длительным расстройством сложного технологического процесса;

2)потребители второй категории − приемники, перерыв в электроснабжении которых связан с существенным недоотпуском продукции, простоем людей и оборудования.

3)потребители третьей категории − приемники, перерыв в электроснабжении которых может повлечь материальный ущерб, сопоставимый по величине со стоимостью сооружения резервных источников питания;

4)особая группа потребителей − сверхответственные; для них обязателен независимый источник питания.

По величине пусковых токов различают ЭП с существенными и несущественными пусковыми токами. Пусковые токи ЭП и их длительность следует считать существенными, когда их учет приводит к коррекции параметров элементов системы электроснабжения, выбранных по токам нормального режима, и несущественными, когда их учет не приводит к такой коррекции. Существенными чаще всего оказываются пусковые токи асинхронных короткозамкнутых двигателей, превышающие номинальные в 4-7 раз и длящиеся от допей секунды до нескольких секунд. Существенными могут оказаться и регулируемые пусковые токи других двигателей и токи, возникающие в процессе зажигания разрядных ламп (1,5-2 номинальных в течение нескольких минут). Несущественными, вследствие малой длительности (несколько миллисекунд) и, несмотря на большую их кратность отношению к номинальным токам, оказываются пусковые токи ламп накаливания (кратностью до 6), конденсаторных установок (кратностью до 20).

Установленная мощность - одна из основных характеристик электроприемников, определяемая как сумма номинальных мощностей

28

однородных приемников. У различных потребителей номинальная мощность понимается по-разному:

а) у электродвигателей номинальная мощность равна мощности на валу при номинальной продолжительности включения;

б) у электротехнологических установок − равна полной мощности, потребляемой из сети;

в) у ламп накаливания номинальная и потребляемая мощности совпадают;

г) у светильников с разрядными лампами номинальная мощность равна мощности ламп без учета потерь мощности в пускорегулирующих устройствах.

При определении установленной мощности ЭП номинальные мощности разнохарактерных потребителей суммируются только после приведения их к одинаковым условиям определения.

Коэффициент мощности является отношением активной мощности к полной и характеризует потребление реактивной мощности. При расчетах по электроснабжению для получения коэффициента мощности используются усредненные значения мощностей, полученные на основе данных электросчетчиков за определенное время.

2.6 Заземление и защитные проводники ЭМС

Заземление — преднамеренное электрическое соединение какой-либо точки сети, электроустановки или оборудования с заземляющим устройством. С ее помощью выполняется снижения напряжения прикосновения до безопасного значения.

Глухозаземленная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная непосредственно к заземляющему устройству. Глухозаземленным может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трехпроводных сетях постоянного тока.

Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, неприсоединенная к заземляющему устройству или присоединенная к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.

Заземляющее устройство — совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Заземлитель — проводящая часть или совокупность соединенных между собой проводящих частей, находящихся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду.

Искусственный заземлитель — заземлитель, специально выполняемый для целей заземления.

Естественный заземлитель — сторонняя проводящая часть, находящаяся в электрическом контакте с землей непосредственно или через промежуточную проводящую среду, используемая для целей заземления.

29

Заземляющий проводник — проводник, соединяющий заземляемую часть (точку) с заземлителем.

Защитный (РЕ) проводник — проводник, предназначенный для целей электробезопасности.

Защитный заземляющий проводник — защитный проводник, предназначенный для защитного заземления.

Защитный проводник уравнивания потенциалов — защитный проводник, предназначенный для защитного уравнивания потенциалов.

Нулевой защитный проводник — защитный проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для присоединения открытых проводящих частей к глухозаземленной нейтрали источника питания.

Нулевой рабочий (нейтральный) проводник (N) — проводник в электроустановках до 1 кВ, предназначенный для питания электроприемников и соединенный с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с глухозаземленной точкой источника в сетях постоянного тока.

Совмещенные нулевой защитный и нулевой рабочий (PEN) проводники

— проводники в электроустановках напряжением до 1 кВ, совмещающие функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников.

Главная заземляющая шина — шина, являющаяся частью заземляющего устройства электроустановки до 1 кВ и предназначенная для присоединения нескольких проводников с целью заземления и уравнивания потенциалов.

Защитное заземление — заземление, выполняемое в целях электробезопасности.

Рабочее (функциональное) заземление — заземление точки или точек токоведущих частей электроустановки, выполняемое для обеспечения работы электроустановки (не в целях электробезопасности).

Защитное зануление в электроустановках напряжением до 1 кВ — преднамеренное соединение открытых проводящих частей с глухозаземленной нейтралью генератора или трансформатора в сетях трехфазного тока, с глухозаземленным выводом источника однофазного тока, с заземленной точкой источника в сетях постоянного тока, выполняемое в целях электробезопасности.

Уравнивание потенциалов — электрическое соединение проводящих частей для достижения равенства их потенциалов.

Защитное уравнивание потенциалов — уравнивание потенциалов, выполняемое в целях электробезопасности.

Выравнивание потенциалов — снижение разности потенциалов (шагового напряжения) на поверхности земли или пола при помощи защитных проводников, проложенных в земле, в полу или на их поверхности и присоединенных к заземляющему устройству.

Замыкание на землю — случайный электрический контакт между токоведущими частями, находящимися под напряжением, и землей.

30

Сверхнизкое (малое) напряжение (СНН) — напряжение, не превышающее 50 В переменного и 120 В постоянного тока.

Сопротивление заземляющего устройства — отношение напряжения на заземляющем устройстве к току, стекающему с заземлителя в землю.

2.7 Основные показатели энергоэффективности и энергоаудит ЭМС

Энерглаудит – энергетическое обследование элеектротехнической системы. Цели энергоаудита:

−выявление источников нерациональных энергозатрат и неоправданных потерь энергии,

−определение показателей энергетической эффективности;

−определение потенциала энергосбережения и повышения энергетической эффективности;

−разработка целевой, комплексной программы энергосбережения.

При этом проводятся следующие мероприятия:

1)анализ состояния систем электроснабжения;

2)оценка состояния систем и средств измерений — приборы для учета энергоносителей и их соответствие установленным требованиям;

3)выявление необоснованных потерь;

4)оценка состояния системы нормирования энергопотребления и использования энергоносителей;

5)проверка энергетических балансов предприятия (объекта);

6)расчет удельных норм энергозатрат на выпускаемую продукцию или виды работ;

7)оценка целесообразности основных энергосберегающих мероприятий включает:

−энергомониторинг — отслеживание установленных и фактических параметров энергопотребления;

−измерения (замеры) — определение с помощью измерительных приборов и средств учета параметров в контрольных точках;

−опросы и анкетирование участников процесса производства или потребления энергоресурса;

−изучение сопутствующей нормативной базы, руководящих документов

иинструкций на предприятии;

−расчеты экономической эффективности внедрения организационных предложений или инвестиций в энергосберегающие технологии;

−составление отчета, содержащего результаты проведенного энергоаудита и рекомендации.

Этапы проведения энергоаудита:

1) энерготехнологическое обследование:

−проверка условий договоров энергоснабжения;

−проверка правильности учёта и планирования энергопотребления;