Характеристики электрических нагрузок

При разработке проекта электроснабжения промышленного предприятия необходимо определить электрическую нагрузку, пе­редачу которой требуется обеспечить для нормальной работы объек­та. В зависимости от этого значения, называемого расчетной на­грузкой, выбирают источник электроснабжения и все оборудова­ние электрической сети: линии, трансформаторы, распредели­тельные устройства. Неточность определения расчетной нагрузки приводит или к перерасходу шин, кабелей и проводов, или к низкой надежности электроснабжения.

Максимальная мощность, потребляемая группой приемников с переменной нагрузкой, всегда меньше суммы номинальных мощ­ностей этих приемников. Это объясняется тем, что приемники не всегда загружаются на полную мощность, а их наибольшие на­грузки не совпадают по времени. Указанное обстоятельство следу­ет иметь в виду при выборе элементов системы электроснабжения во избежание завышения их пропускной способности и стоимос­ти. Необходимо также учитывать неравномерность электрических нагрузок по часам суток, дням недели и сезонам года. Следова­тельно, при расчете потребляемой мощности надо анализировать графики нагрузок.

Графиком нагрузки называется кривая изменения во времени тока I, активной Р, реактивной Qили полной S мощности, по­требляемых в процессе работы. При расчетах удобнее пользоваться графиками активной нагрузки Р{Т).

В соответствии с принятой методикой графики нагрузок под­разделяют на индивидуальные — для отдельных приемников элек­троэнергии (рис. 3.1 и 3.2) и групповые — для группы приемни­ков электроэнергии (рис. 3.3).

Индивидуальные графики нагрузок обозначаются строчными буквами: р(t), q (t), i (t); групповые графики нагрузок обознача­ют прописными буквами: Р(Т), Q(T), I (Т).

 

Рис. 3.1. Индивидуальный график активной нагрузки, полученный с помощью регистрирующего при­бора

,'

Рис. 3.2. Индивидуальный график активной нагрузки, полученный показаниям счетчика активной энергии:

 

t_И — интервал времени

При п приемниках электроэнергии в группе

где U_н — действительное значение номинального напряжения.

Приближенное равенство в выражении (3.1) справедливо лишь при близких значениях коэффициентов мощности отдельных при­емников электроэнергии.

Индивидуальные графики необходимы для определения нагру­зок мощных приемников электроэнергии (электрических печей, преобразовательных агрегатов главных приводов прокатных ста­нов и т.п.).

При проектировании систем электроснабжения промышлен­ных предприятий используют, как правило, групповые графики нагрузок (от графиков нагрузок нескольких приемников электро­энергии до графиков нагрузок предприятия в целом).

На рис. 3.4 приведен групповой график Р(Т) за наиболее за­груженную смену, т.е. за смену, характеризуемую наибольшим потреблением электроэнергии. Именно такие графики служат ос­новой для анализа показателей нагрузки. На графике изменения активной нагрузки Р показаны значения, которые требуется оп­ределять для расчетов систем электроснабжения: средняя на­грузка за смену Р_см, средняя квад­ратичная нагрузка Р_с.к, пиковая нагрузка Рпик, максимальная на­грузка 30-минутной продолжи­тельности Р_30’.

 

Рис. 3.3. Групповой и индивидуальные графи­ки активной нагрузки:

 

Средней нагрузкой Рсм называ­ется такая нагрузка, работая с ко­торой в течение интересующего

промежутка времени (смена, сутки, год) электропотребитель по­треблял бы то же количество электроэнергии, которое он потреб­ляет в действительности при неравномерной нагрузке. В условиях эксплуатации эту нагрузку легко определить по показанию счет­чика за интервал времени Т.

Средние за наиболее загруженную смену активная Р_см, реактивная Q_см нагрузки и ток I_см определя­ются по формулам

где Э_а, Э_р — соответственно активная и реактивная энергия за время смены Т_см.

Среднюю квадратичную нагрузку Р_с.к. за интервал времени Г мож­но получить из ступенчатого графика нагрузки, если воспользо­ваться выражением

где Р_1, Р₂ — фактические активные нагрузки первого и второго единичных потребителей; Т_1, Т₂ — фактическое время работы пер­вого и второго потребителей.

По средней квадратичной нагрузке (мощности) рассчитывают потерю мощности, оценивают эффект снижения потерь мощнос­ти в сетях, а также выбирают элементы электрической сети с не­стабильной нагрузкой, например в сварочных сетях.

Максимальная нагрузка заданной продолжительности представ­ляет собой наибольшее ее значение из всех значений за заданный промежуток времени. Например, Р_30’ — максимальная нагрузка по­лучасовой продолжительности, остальные получасовые интерва­лы за всю смену менее загружены.

Максимальная кратковременная нагрузка продолжительностью несколько секунд называется пиковой нагрузкой. По Р_ПИК проверяют колебания напряжения, выбирают уставки защиты, плавкие вставки предохранителей.

Чтобы найти расчетную нагрузку, надо заменить действитель­ную переменную нагрузку такой максимальной постоянной на­грузкой, которая была бы эквивалентна фактической нагрузке по максимальной температуре нагрева проводников или по теплово­му износу изоляции. Из этого определения следует, что расчетная нагрузка определяется как максимальная усредненная за опреде­ленный интервал времени нагрузка, а длительность этого интер­вала зависит от постоянной времени нагрева х проводников. Вре­мя нагрева Т, как известно, принимается равным трем постоян­ным времени нагрева, т.е. Т= 3х. Исследования показали, что про­водники малых и средних сечений в сетях промышленных пред­приятий имеют х ~ 10 мин, поэтому интервал усреднения расчет­ной максимальной нагрузки принят равным 30 мин. Таким обра­зом, расчетную нагрузку Р_р для выбора проводников и аппаратов электрической сети следует определять по получасовому макси­муму:

Р_Р = Р_30’ (3.4)

У проводников крупных сечений и мощного электрооборудо­вания электросетей 3т > 10 мин, поэтому выбор их по формуле (3.4) дает несколько завышенные значения сечений токоведущих частей.

Таблица 3.1. Значения постоянной времени нагрева т для проводов и кабелей с медными жилами

Площадь   сечения медной жилы, мм2		Значения х, мин,		Значения с, мин, для трехжильных бронированных кабелей с бумажной изоляцией на 1...ЗкВ
для проводов с резиновой изоляцией
одножиль- ных, про- ложенных открыто на опорах	двух- жильных	трех- жильных	четырех- жильных
проложенных в одной трубе	проло- женных в земле	проло- женных на воздухе
	2,4	2,5
			4,75	6,25	7,2	19,1
	4,2	6,75	7,5	9,5	8,4	20,6
	5,6	9,3		13,7	10,8	21,6
	7,2		15,7	19,5		26,4
		15,7	19,5		14,4	28,8
			23,5	28,3		32,4
			27,5		21,6	32,4
	18,4	26,3		37,5	26,4
	21,4	29,5	35,8
	24,4	33,5			34,7
	__	—	—	—
	—	—	—

«Руководящие указания по электроснабжению промыш­ленных предприятий» допускают это как некоторый запас. Ис­ключение составляют трансформаторы. Для них т = 1,5... 3 ч и бо­лее, соответственно интервал усреднения получается равным 4,5...9 ч. Поэтому за расчетную нагрузку при выборе транс­форматоров принимают среднюю нагрузку за максимально за­груженную смену:

При необходимости более точного учета влияния постоянной времени нагрева (например, при выборе площади сечения кабе­лей 70 мм² и выше) следует определить уточненное значение ко­эффициента максимума нагрузки К_м.р. и через него — расчетную мощность Р_р. Расчеты выполняют в такой последовательности.

1. Определяют время усреднения расчетной нагрузки (табл. 3.1). Например, для кабелей с площадью сечения жил 150... 185 мм² т = 50 мин,

2. Находят коэффициент максимума активной нагрузки К_м.р. для Т- часового максимума нагрузки по формуле:

где К_м — коэффициент максимума, рассчитанный для получасо­вого максимума нагрузки (рис. 3.5, табл. 3.2).

Пусть для кабелей с площадью сечения жил 150... 185 м², пи­тающих группу приемников, К_м = 1,5. Тогда для 2,5-часового мак­симума

3. Определяют Р_р. В данном примере для 2,5-часового максимума Р_Р=Х_М._РР_СМ=1,22Р_СМ. (3.7)

Без учета действительного значения Р₃₀' = К_МР_СЫ = 1,5,Р_СМ, т.е. расчетная нагрузка завышена в 1,5/1,22 = 1,23 раза. Соответствен­но завышается и выбираемая площадь сечения жил кабеля.

Для проводов и кабелей с алюминиевыми жилами при оди­наковой площади сечения с медными жилами, одинаковой конст­рукции изолирующих и защитных покровов и одинаковом спосо­бе прокладки постоянную времени нагрева можно принять: для голых проводов ; для изолированных проводов ; для кабелей где и — постоянные времени нагрева проводов и кабелей соответственно с алюминиевыми и медными жилами.

Таким образом, при наличии графика нагрузки за наиболее загруженную смену (см. рис. 3.4) можно найти расчетную нагрузку

Таблица 3.2. Зависимость коэффициента максимума активной нагрузки К_м от эффективного числа приемников при различных значениях коэффициента использования активной мощности К_И

 

как самую большую нагрузку, усредненную за 30 мин (или за другое время Т), а для трансформаторов — как Р_см. Но при проек­тировании электроснабжения новых предприятий такие графики отсутствуют. Поэтому необходимо пользоваться коэффициента­ми К_м, К_и, коэффициентом формы К_ф (см. подразд. 3.2) и дру­гими, полученными на действующих предприятиях того же про­филя и приведенными в справочной литературе.