Основные показатели электрических нагрузок

Для выбора рациональной схемы электроснабжения и ее элементов, обеспечивающих надежное, качественное и экономичное электроснабжение потребителей, необходимо правильно определить расчетные нагрузочные токи и мощности приемников электрической энергии.

Завышение расчетных токов и мощностей приводит к работе элементов систем электроснабжения в недогруженном, а значит, неэкономичном режиме. Заниженные значения расчетных параметров приводят к выбору элементов системы электроснабжения, не обеспечивающих надежное и качественное электроснабжение потребителей.

Номинальная мощность приемника электроэнергии это мощность, обозначенная в его паспорте.

Паспортная мощность приемников повторно-кратковременного режима приводится к номинальной длительной мощности (к продолжительности включения ПВ = 100%) по следующим формулам:

а) для электродвигателей.

б) для обычных силовых трансформаторов.

в) для трансформаторов сварочных машин.

г) для трансформаторов электрических печей.

.

В этих выражениях и паспортные относительная продолжительность включения и коэффициент мощности ЭП.

Групповая номинальная активная мощность это сумма номинальных активных мощностей n отдельных рабочих ЭП: .

Под номинальной реактивной мощностью приемника понимается реактивная мощность, потребляемая им из сети или отдаваемая в сеть, при номинальной активной мощности и номинальном напряжении. Паспортная реактивная мощность приемника повторно-кратковременного режима приводится к длительному режиму по выражению .

Групповая номинальная реактивная мощность это алгебраическая сумма номинальных реактивных мощностей n отдельных рабочих ЭП:

.

Средняя нагрузка. Суммарная средняя нагрузка группы ЭП дает возможность приближенно оценить нижний предел возможных значений расчетной нагрузки. Средние активная и реактивная нагрузки группы приемников за любой интервал времени определяются по выражениям:

.

В условиях эксплуатации средние нагрузки рассматриваются за определенный характерный интервал времени, например за время цикла tц, и определяются по показаниям счетчиков активной (Эа) и реактивной (Эр) электроэнергии с помощью следующих выражений:

.

Важное значение в расчетах нагрузок, а также расхода потерь электроэнергии имеют средняя нагрузка за наиболее загруженную смену Pc (или Qc) и среднегодовая нагрузка Pсг (или (Qсг). Наиболее загруженной сменой считается смена с наибольшим потреблением активной энергии данной группой ЭП. Для средней нагрузки за время tсм наиболее загруженной смены можно записать:

; .

Среднегодовая нагрузка определяется как отношение годового расхода активной или реактивной энергии к годовому фонду рабочего времени Тг, т. е.

.

Время Тг не следует смешивать с годовым числом часов использования максимума активной нагрузки Тмакс. определяемым по формуле.

(Pм максимальная активная нагрузка).

Максимальная нагрузка. Максимальные значения активной нагрузки отдельного ЭП pсм и группы ЭП Pсм, реактивной нагрузки qсм, Qсм и тока iсм, Iсм представляют собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени.

В течение сменного графика нагрузки может быть несколько периодов ее повышения, поэтому определяют среднеквадратичные нагрузки за каждый период времени и выбирают наибольшую из них (рис. 3.1,). Наибольшая величина среднеквадратичной нагрузки и является расчетной нагрузкой, по которой следует выбирать элементы системы электроснабжения по нагреву. Однако нахождение среднеквадратичной нагрузки представляет сложную задачу. Поэтому обычно определяют не среднеквадратичную, а среднюю нагрузку за период осреднения. Такой расчет является приближенным, но он значительно проще и не вносит существенных ошибок.

В зависимости от продолжительности промежутка времени различают два вида максимальных нагрузок (рис. 3.2):

• а) максимальные кратковременные нагрузки длительностью 1 2 с (пиковые Pпик.); определение пиковых нагрузок необходимо для проверки колебаний напряжения, проверки сетей по условиям самозапуска электродвигателей, выбора плавких вставок предохранителей, расчета релейной защиты и автоматики;
• б) максимальные длительные нагрузки Рсм за различные интервалы времени (5, 10, 30 мин); они определяются для выбора элементов системы электроснабжения по нагреву и расчета максимальных потерь мощности в них.

Расчетная нагрузка. Под расчетной нагрузкой по допустимому нагреву понимается такая длительная неизменная во времени нагрузка элемента системы электроснабжения (трансформатора, линии и т. п.), которая эквивалентна ожидаемой изменяющейся нагрузке по наиболее тяжелому тепловому воздействию: максимальной температуре нагрева проводника или тепловому износу его изоляции. Соответственно этим двум эффектам нагрева проводника различают:

• а) расчетную нагрузку по максимальной температуре нагрева, т. е. такую неизменную во времени нагрузку РрI, которая вызывает в проводнике тот же самый максимальный перегрев над окружающей температурой, что и заданная переменная нагрузка Р (t):
• б) расчетную нагрузку по тепловому износу изоляции, т. е. такую неизменную во времени нагрузку РрII, которая вызывает в проводнике тот же тепловой износ изоляции, что и заданная переменная нагрузка Р (t).

Нагрев проводника является результатом воздействия на него нагрузки за некоторый период времени, поэтому средняя нагрузка за интервал времени Т более точно характеризует нагрев проводника, чем наибольшая (пиковая) нагрузка в том же интервале. При оценке максимального нагрева проводника или другого элемента системы электроснабжения правильнее было бы определять среднеквадратичную нагрузку за период времени, который меньше длительности одной смены, так как в этом интервале проводник успевает нагреться и остыть несколько раз. Однако этот период времени не может быть и слишком малым, поскольку нагрев проводника не достигнет установившегося значения.

Существует оптимальная длительность интервала осреднения Тоср., при которой среднеквадратичная нагрузка при прочих равных условиях будет удовлетворительно характеризовать изменение нагрева проводника. На рис. 3.3 приведено изменение нагрузки за различные интервалы осреднения. Интервал, слишком мал, и проводник за это время не успевает нагреться до установившегося значения, а интервал, слишком большой, проводник успевает нагреться и к концу интервала даже остыть. Оптимальный интервал осреднения должен быть равен трем постоянным времени нагрева проводника, т. е. .

Для практических расчетов за основу берется постоянная времени нагрева наиболее часто применяемых проводников малых и средних сечений Т0 = 10 мин. Таким образом, в качестве интервала осреднения Тоср. принимают 30-ти минутный (получасовой) максимум нагрузки. За это время нагрев проводника достигает 95% установившегося значения. Наибольшая из средних нагрузок за интервал времени принимается в качестве расчетной величины. В системах электроснабжения, именно по этой величине (по условию нагрева) выбирается вся аппаратура, кабели, трансформаторы и т. д.

При расчетах нагрузок применяются показатели (коэффициенты) графиков нагрузок, характеризующие режим работы приемников электроэнергии.

Коэффициенты графиков нагрузок определяются для индивидуального и группового графиков активной и реактивной нагрузок или тока. В связи с этим принята следующая система обозначений:

• 1. Коэффициенты индивидуальных и групповых графиков обозначаются соответственно строчной k или прописной К.
• 2. Вид коэффициента определяется индексом, состоящим из начальных букв его названия.
• 3. Коэффициенты графиков активной мощности имеют индекс «а», реактивной мощности «р», тока «I».

Например, Кзга означает коэффициент заполнения группового графика нагрузки по активной мощности.

Коэффициентом использования активной мощности приемника kиа или группы приемников Kиа называется отношение средней активной мощности отдельного приемника (или группы их) к номинальной активной мощности этого приемника (или группы их):

Этот коэффициент, как и средние нагрузки рс, Рс, относится к смене с наибольшей загрузкой ЭП, но может быть отнесен и к другому периоду времени.

Коэффициентом включения приемника kв называется отношение продолжительности включения tв приемника за время цикла ко всей продолжительности цикла tц (время включения приемника за цикл состоит из времени работы tр и времени холостого хода tх): .

Коэффициентом включения группы приемников или групповым коэффициентом включения Кв называется средневзвешенное значение коэффициентов включения, определяемое по формуле.

Коэффициентом загрузки приемника, но активной мощности kза называется отношение фактически потребляемой или средней активной мощности Pс за время включения tв в течение времени цикла tц к его номинальной мощности;

Групповым коэффициентом загрузки по активной мощности называется отношение группового коэффициента использования к групповому коэффициенту включения:

Коэффициент загрузки, как и коэффициент включения, связан с технологическим процессом и изменяется с изменением режима работы приемника.

Коэффициентом формы индивидуального или группового графиков нагрузок kфа, Kфа называется отношение среднеквадратичной активной мощности приемника или группы приемников за определенный период времени к ее среднему значению за тот же период:

Коэффициент формы характеризует неравномерность графика во времени. Свое наименьшее значение, равное единице, он принимает при нагрузке, неизменной во времени. Для большинства электроприемников с достаточно ритмичным процессом производства коэффициент формы изменяется в пределах от 1,05 до 1,15.

В условиях эксплуатации коэффициент формы определяют по показаниям счетчиков активной энергии (рис. 3.4), используя формулу.

в которой т число интервалов разбиения графика; Эаi. расход активной электроэнергии за время Т=Т/т; Эа расход активной электроэнергии за некоторый период времени Т, например сутки.

Используя связь между индивидуальными и групповым коэффициентами формы графиков нагрузок ЭП одного режима работы, введем понятие приведенного (эффективного) числа электроприемников nэ.

(3.1).

.

Приведенное число элекроприемников nэ есть такое число однородных по режиму работы ЭП одинаковой мощности, которые обусловливают ту же расчетную нагрузку, что и группа различных по номинальной мощности и режиму работы приемников электроэнергии. Понятие приведенного числа элекроприемников позволяет заменить группу разнородных ЭП эквивалентной группой одинаковых, что существенно упрощает расчеты. Величина приведенного числа приемников электроэнергии nэ всегда меньше реального числа ЭП п или равна ему. Если все ЭП группы имеют одинаковую номинальную мощность, то.

. (3.2).

Согласно выражению (3.1) при пэ имеем Кфа 1. Это означает, что при неограниченном возрастании числа электроприемников групповой график нагрузок стремится к постоянной величине P (t) = const.

Коэффициентом максимума активной мощности называется отношение расчетной активной нагрузки к средней нагрузке за исследуемый период времени Исследуемый период времени принимается равным продолжительности наиболее загруженной смены. Обычно коэффициент максимума характеризует групповые графики нагрузок.

Коэффициент максимума Кма, связывая две найденные из группового графика величины расчетную и максимальную среднюю нагрузки, представляет собой важную характеристику графика. Величина коэффициента максимума Кма зависит от приведенного числа электроприемников nэ и ряда коэффициентов, характеризующих режим потребления электроэнергии данной группой ЭП.

При расчете электрических нагрузок методом упорядоченных диаграмм (см. рис. 3.4) используется приближенная аналитическая зависимость Кма от основных показателей режима работы отдельных независимых ЭП и их приведенного числа.

.

В этом выражении, А = 4,8 и В = 3,1 при 1 Kфа 1,1; А = 2,8 и В= 1,67 при 1,1 < Kфа 1,5; Kфкиа и Kфкв коэффициенты формы упорядоченных диаграмм индивидуальных коэффициентов использования по активной мощности и включения; Kфва коэффициент формы индивидуального графика за время включения; Kвс среднее значение коэффициента включения.

Для упрощения расчетов экспериментально построены семейства кривых Кма = f (nэ) при различных значениях коэффициента использования Kиа (рис. 2.5). Кривые рассчитаны для приведенного числа ЭП nэ, от 4 до 300. Кроме указанных кривых в справочниках приводятся соответствующие табличные зависимости.

Кривые Кма = f (nэ) построены для постоянной нагрева проводника Т0 = 10 мин, т. е. для длительности интервала осреднения Тоср. = ЗТ0 (так называемого получасового максимума). При выборе проводов и кабелей, имеющих иные постоянные времени Т0, коэффициент максимума должен быть пересчитан по формуле:

(3.3).

в которой Kма коэффициент максимума при Тоср = 30 мин, найденный по кривым Кма = f (nэ).

Коэффициентом спроса по активной мощности называется отношение расчетной активной нагрузки к номинальной активной мощности группы приемников.

.

Коэффициент спроса относится к групповым графикам. Значения Кса для различных групп приемников в различных отраслях промышленности для различных производств и предприятий определяются из опыта эксплуатации и принимаются при проектировании по справочным материалам.

Коэффициентом заполнения графика нагрузок по активной мощности называется отношение средней активной нагрузки к расчетной за исследуемый период времени.

.

Средняя нагрузка Рс берется за наиболее нагруженную смену, а расчетная нагрузка Рр = Р30 за получасовой максимум нагрузки. Коэффициент заполнения графика нагрузок характеризует групповые графики и используется для оценки суточных и годовых графиков нагрузок. При проектировании Кзга принимается по справочным материалам.