Выбор оптимальных способов компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ

УДК 621.316.016.25 В.М. Ефременко, Р.В. Беляевский, Н.В. Пономарев ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ СПОСОБОВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

На промышленных предприятиях большинство электроприемников наряду с активной мощностью потребляет также и реактивную. К основным промышленным потребителям реактивной мощности относятся асинхронные двигатели, силовые трансформаторы, преобразовательные установки и т. п. Вместе с тем наличие значительных перетоков реактивной мощности в электрических сетях увеличивает потери электроэнергии, снижает пропускную способность электрических сетей, а также оказывает существенное влияние на режимы напряжения [1].

Для снижения перетоков реактивной мощности в электрических сетях должна осуществляться компенсация реактивной мощности. С этой точки зрения, компенсация реактивной мощности может рассматриваться как эффективное направление энергосбережения на промышленных предприятиях. Технические мероприятия по компенсации реактивной мощности заключаются в установке компенсирующих устройств в соответствующих точках системы электроснабжения промышленного предприятия. Наибольшее распространение в качестве компенсирующих устройств в промышленных электрических сетях получили конденсаторные установки. Широкое применение конденсаторных установок обусловлено малыми удельными потерями активной мощности, простотой их монтажа и эксплуатации, возможностью размещения конденсаторных установок в любой точке электрической сети и др.

С помощью конденсаторных установок на промышленных предприятиях могут осуществляться следующие способы компенсации реактивной мощности: индивидуальная, групповая, централизованная и комбинированная [2]. Каждый из перечисленных способов компенсации имеет свои преимущества и недостатки. Осуществление индивидуальной компенсации позволяет снизить потери электроэнергии в наибольшей степени, поскольку в данном случае конденсаторные установки подключаются непосредственно к зажимам электроприемников, и вся электрическая сеть разгружается от реактивной мощности. Вместе с тем данный способ компенсации обладает существенным недостатком, а именно неполным использо-

ванием конденсаторов, т. к. одновременно с отключением электроприемников отключаются и конденсаторные установки. При групповой компенсации конденсаторные установки подключаются к распределительным пунктам электрической сети. Использование установленной мощности конденсаторных установок увеличивается, но при этом электрическая сеть до электроприемников не разгружается от реактивной мощности. При централизованной компенсации конденсаторные установки подключаются к шинам 0,4 кВ или 6 (10) кВ трансформаторной подстанции. В данном случае использование установленной мощности конденсаторных установок оказывается наиболее полным, однако, при этом все элементы электрической сети, питающейся от подстанции, не разгружаются от реактивной мощности. Кроме того, поскольку действующие в настоящее время Методические указания [3], устанавливающие повышающие (понижающие) коэффициенты к тарифам на услуги по передаче электроэнергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности, распространяются только на потребителей электроэнергии, подключенных к Единой национальной (общероссийской) электрической сети, т. е. к сетям ФСК, то это фактически делает централизованную компенсацию для промышленных предприятий экономически невыгодной. При комбинированной компенсации сочетаются централизованная или групповая компенсация с индивидуальной. Таким образом, выбор мест установки компенсирующих устройств в общем случае является оптимизационной задачей, т. е. необходимо выбрать такой вариант, который обеспечивает максимальный экономический эффект при соблюдении всех технических условий нормальной работы электрических сетей и электрооборудования.

С этой целью была рассмотрена система электроснабжения цехов одного из крупных промышленных предприятий г. Кемерово. Для данных цехов характерна большая постоянная двигательная нагрузка, присутствуют как высоковольтные, так и низковольтные асинхронные двигатели, поэтому потребление реактивной мощности по цехам в целом довольно значительное. Электро-

Рис. 1. Схема электроснабжения

снабжение предприятия осуществляется по трем линиям электропередачи с Кемеровской ГРЭС. На центральной распределительной подстанции

(ЦРП) происходит распределение электроэнергии по цеховым трансформаторным подстанциям. Схема электроснабжения цехов предприятия представлена на рис. 1.

Для выбора оптимального способа компенсации реактивной мощности в представленной электрической сети были рассмотрены несколько возможных вариантов: 1) при отсутствии компенсации реактивной мощности; 2) централизованная компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 10 кВ ЦРП; 3) групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 6 кВ ЦРП; 4) групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций; 5) групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций и распределительным пунктам; 6) комбинированная компенсация с подключением части конденсаторных установок к зажимам электроприемников непосредственно, а части - к шинам 0,4 кВ трансформаторных подстанций и распределительным пунктам; 7) комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и 0,4 кВ трансформаторных подстанций, компенсируется

цехов промышленного предприятия

индивидуально, а остальная реактивная мощность

- конденсаторными установками, подключенными к распределительными пунктам и шинам 6 кВ подстанции № 6; 8) комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая мощными электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и подстанции №6, компенсируется индивидуально, а остальная часть реактивной мощности - групповым способом; 9) комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и 0,4 кВ трансформаторных подстанций, компенсируется индивидуально, а остальная реактивная мощность - конденсаторными установками, подключенными к распределительными пунктам; 10) индивидуальная компенсация. Критериями оптимизации являлись минимум потерь электроэнергии в электрической сети и минимум суммарных приведенных затрат.

Для расчета потерь электроэнергии в электрической сети и последующего определения оптимального способа компенсации реактивной мощности нами была разработана программа «Расчет потерь электроэнергии у1.0». Алгоритм программы построен на расчете технологических потерь электроэнергии по методу средних нагрузок в соответствии с требованиями Инструкции [4] и определении оптимального способа компенсации реактивной мощности, исходя из минимума потерь электроэнергии в электрической сети. В це-

лях выбора оптимального способа компенсации реактивной мощности были также проведены технико-экономические расчеты, в ходе которых для каждого из рассматриваемых способов компенсации были определены суммарные приведенные затраты. Результаты расчета потерь электроэнергии в электрической сети и суммарных приведенных затрат при различных способах компенсации реактивной мощности приведены в таблице.

Анализ полученных результатов показал, что наиболее оптимальным способом компенсации реактивной мощности для рассматриваемой электрической сети является индивидуальная компенсация, поскольку в этом случае обеспечивается минимум потерь электроэнергии. Из техникоэкономических расчетов также следует, что индивидуальная компенсация является наиболее оптимальной, т. к. в данном случае суммарные при-

веденные затраты оказываются минимальными. Наибольшие потери электроэнергии в электрической сети и суммарные приведенные затраты имеют место при отсутствии компенсации реактивной мощности, а также в случае централизованной компенсации.

задаче.

В то же время использование многокритериального подхода для решения задачи оптимизации выбора мест установки компенсирующих устройств требует проведения углубленного техникоэкономического анализа. В частности, при выборе оптимальных способов компенсации реактивной мощности следует учитывать стоимость электроэнергии и сравнивать ее с затратами на компенсирующие устройства. По результатам экономического анализа можно будет определить оптимальное соотношение между реактивной мощности, потребляемой предприятием из сети энергоснабжающей организации, и реактивной мощностью, вырабатываемой компенсирующими устройствами, установленными на промышленном предприятии. Кроме того, следует учитывать график электрической нагрузки предприятия и производить выбор соответствующего оптимального способа компенсации реактивной мощности для каждой зоны графика нагрузки. В базовой части графика нагрузки наиболее оптимальной будет групповая компенсация, а при наличии высоковольтных электроприемников, подключенных непосредст-

Таблица. Потери электроэнергии в электрической сети при различных способах компенсации реактивной мощности

Способ Потери Потери элек- Потери элек- Суммарные Суммарные

компенсации электро- троэнергии троэнергии потери элек- приведенные

реактивной энергии в трансфор- в КУ, троэнергии, затраты,

мощности в линиях, тыс. кВт-ч маторах, тыс. кВт-ч тыс. кВт-ч тыс. кВт-ч тыс. руб.

Без компенсации 456,412 113,419 0 569,832 9780,145

Централизованная 418,369 113,419 165,721 548,361 9635,06

Групповая 1 417,741 916,938 165,721 526,007 9277,728

Групповая 2 416,565 916,938 194,655 525,147 9280,948

Групповая 3 391,211 916,938 194,655 499,794 8933,846

Комбинированная 1 381,245 916,938 194,655 489,828 8803,862

Комбинированная 2 339,718 916,938 194,655 448,300 8072,859

Комбинированная 3 349,445 916,938 194,655 458,027 8262,675

Комбинированная 4 337,900 916,938 194,655 446,482 8077,486

Индивидуальная 329,751 916,938 194,655 438,334 7949,683

Вместе с тем следует отметить, что полученные результаты необходимо рассматривать лишь как первое приближение к решению задачи оптимизации выбора мест установки компенсирующих устройств. Для более точного решения данной задачи необходимо также учитывать дополнительные ограничения (по допустимым уровням напряжения в узлах сети, по режимам работы компенсирующих устройств, по устойчивости нагрузки и др.), вводя их в целевую функцию в качестве критериев оптимизации и переходя к решению задачи многокритериальной оптимизации. Многокритериальный подход позволит комплексно подходить к задаче выбора мест установки компенсирующих устройств, более точно описывать ее условия, получая тем самым решения, в наибольшей степени соответствующие реальной

венно к шинам 6 (10) кВ трансформаторных подстанций - централизованная компенсация. В по-лупиковой зоне групповая компенсация также будет наиболее оптимальной. Использование же индивидуальной компенсации будет наиболее целесообразным в пиковой зоне графика нагрузки промышленного предприятия. Режимы работы и коэффициенты использования установленного электрооборудования также могут оказывать существенное влияние на выбор оптимального способа компенсации реактивной мощности. Так, при постоянной нагрузке более выгодной будет индивидуальная компенсация, а в случае, если нагрузка будет неравномерной - групповая или комбинированная компенсация. Проведение углубленного технико-экономического анализа с последующим построением компьютерной модели системы

электроснабжения промышленного предприятия и решением задачи многокритериальной оптимизации позволит определить наиболее оптимальные способы компенсации реактивной мощности в промышленных электрических сетях.

Таким образом, выбор оптимальных мест установки компенсирующих устройств и оптимизация процесса компенсации реактивной мощности в промышленных электрических сетях в целом является на сегодняшний день актуальной прак-

тической задачей. Оптимизация процесса компенсации реактивной мощности позволит максимально снизить потери электроэнергии в электрических сетях, обусловленные перетоками реактивной мощности, сократить расходы промышленных предприятий на электроэнергию, увеличить пропускную способность электрических сетей и будет способствовать реализации на промышленных предприятиях потенциала энергосбережения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ефременко, В. М. О влиянии перетоков реактивной мощности на параметры систем электроснабжения промышленных предприятий / В. М. Ефременко, Р. В. Беляевский // Вестник КузГТУ, 2011. -№ 3. - С. 60-63.

2. Константинов, Б. А. Компенсация реактивной мощности / Б. А. Константинов, Г. З. Зайцев. - Л. : Энергия, 1976. - 104 с.

3. Методические указания по расчету повышающих (понижающих) коэффициентов к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон по договорам об оказании услуг по передаче электрической энергии по единой национальной (общероссийской) электрической сети (договорам энергоснабжения) : утв. Приказом Федеральной службы по тарифам РФ № 219-э/6 от 31.08.2010 : ввод в действие с 31.08.2010.

4. Инструкция по организации в Министерстве энергетики Российской Федерации работы по расчету и обоснованию нормативов технологических потерь электроэнергии при ее передаче по электрическим сетям : утв. Приказом М-ва энергетики РФ № 326 от 30.12.2008 : ввод в действие с 30.12.2008.

Авторы статьи:

Ефременко Владимир Михайлович, канд. техн. наук, ст. научн. сотр., зав. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ.

Тел.8-904-999-0817 E-mail: evm.kegpp@kuzstu.ru

Беляевский Роман Владимирович,

- ст. преподаватель каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ. Тел. 8-950-584-7672 E-mail: belaevsky@mail.ru

Пономарев Никита Викторович, студент КузГТУ (гр. ЭП^б^, тел. S-923-520-774i E-mail: nickitaponomarev @yandex.ru

УДК 622:621.31.-213.34:622.86

В.М. Друй, Г.И. Разгильдеев

О СВОЙСТВАХ ПРУЖИННЫХ ШАЙБ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ ВЗРЫВОЗАЩИЩЕННОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ

В соответствии с действующей нормативной документацией [1,2] все болты, винты, гайки и другие крепежные детали, применяемые в частях оболочек взрывозащищенного электрооборудования, должны быть предохранены от самопроизвольного ослабления способом, оговариваемым в технической документации. Таким способом в отечественном и зарубежном взрывозащищенном электрооборудовании признано применение разрезных пружинных шайб (прежнее название -шайбы Гровера).

Отсутствие или поломка разрезных пружинных шайб (далее РПШ) приводит в ряде случаев к невозможности обеспечить плотное прилегание взрывозащитных поверхностей взрывонепроницаемых соединений. В соответствии с "Инструк-

цией по осмотру и ревизии рудничного взрывобезопасного электрооборудования" [3] его экс-

плуатация при неполной затяжке хотя бы одного болта или другого крепежного элемента запрещена. Таким образом, отсутствие или поломку РПШ хотя бы у одной крепежной детали взрывонепроницаемого соединения можно считать повреждением средств взрывозащиты (СВЗ) этого электрооборудования.

Анализ состояния средств взрывозащиты рудничного взрывозащищенного электрооборудования (далее РВЗЭО) на шахтах Кузбасса показал [4], что на повреждения РПШ приходится 28 % всех зарегистрированных повреждений СВЗ РВЗЭО. Было выявлено два вида повреждений РПШ: поломка и сплющивание, в результате чего

терялась их способность противостоять самопроизвольному ослаблению крепежных деталей. Большое число повреждений СВЗ РВЗЭО привело к необходимости внимательно рассмотреть изменение свойств РПШ в конкретных условиях применения.

Особенности эксплуатации РВЗЭО в подземных горных разработках состоит в том, что определенная его часть не подвержена непосредственному воздействию передвижного характера горных работ, другая же его часть периодически переносится на новое место установки по мере подвигания забоев - подготовительных и очистных. Ту часть РВЗЭО, которая не подвержена непосредственному воздействию подвижного характера горных работ, можно условно отнести к стационарно установленному. Оно в течение длительного времени может находиться на одном месте установки и не переносится вслед за уходом забоев, пока не будут отработаны запасы полезного ископаемого в горизонте или этаже (подэтаже). При доставке его на место установки производится первоначальный монтаж, а последующие вскрытия отдельных частей взрывонепроницаемых оболочек (кабельных коробок, вводов и др.) производится во время регулярно проводимых ревизий и при ремонтах в порядке текущей эксплуатации. Следовательно, и РПШ крепежных деталей стационарного РВЗЭО относительно редко разжимаются и затем сжимаются вновь. Практика подтвердила такой вывод. На крепежных деталях трансформаторных подстанций (ТСВП, ТСТТТВП и др.) и высоковольтных распределительных устройств КРУВ -6, части которых вскрываются редко, практически не было обнаружено поврежденных РПШ.

При эксплуатации РВЗЭО, которое находится под непосредственным воздействием подвижного характера горных работ и переносится на новое место установки вслед за подвиганием забоев (передвижное электрооборудование - ПЭО), при каждой такой переноске производятся демонтажно -монтажные работы (ДМР). При этом откручиваются болты крышек вводных кабельных коробок и кабельных устройств (разжимаются РПШ крепежных деталей), отключаются кабели и оборудование переносится на новое место установки, а операции ДМР повторяются в обратном порядке (РПШ сжимаются). Очевидно, что РПШ крепежных деталей ПЭО при каждом переносе на новое место установки регулярно разжимаются и сжимаются вновь, те. в процессе эксплуатации подвергаются многократным однообразным циклам «сжатие - разжимание» . Кроме ДМР части взрывонепроницаемых оболочек ПЭО вскрывают во время регулярно проводимых ревизий и при ремонтах в порядке текущей эксплуатации. Таким образом, ПЭО за время проведения подготовительной выработки или отработки очистного забоя вскрывается многократно и в таком же режи-

ме работают РПШ.

Число вскрытий пВО взрывонепроницаемой оболочки одной единицы ПЭО определяется из соотношения:

п ВО = п ПМ + п ДМР + ПР + ПТЭ

где пПМ - число вскрытий оболочки при первоначальном монтаже ПЭО; ПдМР - число вскрытий при переноске ПЭО на новое место установки (в результате ДМР); пР - число вскрытий ПЭО при проведении регулярных ревизий; пТЭ - число вскрытий при ремонтах в порядке текущей эксплуатации.

Расчеты применительно к ПЭО одного из очистных забоев ОАО "Шахта "Березовская" за время его эксплуатации Тэ = 7270 ч показали следующие значения:

ППМ 1, п ДМР = 48, пр = 3, ПТЭ =8 и ПВО =57.

Следовательно, РПШ крепежных деталей одной единицы ПЭО разжимаются и сжимаются вновь в среднем 57 раз.

Исполнение / ^

т * 0,7 л так Л, = 25 і 15°/с

Рис.1. Пружинная шайба

Выпускаемые промышленностью РПШ не рассчитаны на такой режим работы, что видно из порядка испытания их пружинящих свойств. ГОСТ 6402 - 70 "Шайбы пружинные. Технические условия" определяет следующий порядок испытания: "... шайба трехкратно сжимается до плоского состояния и в сжатом состоянии выдерживается 24 ч, после чего она разжимается и измеряется высота развода концов зубьев И2 (рис. 1).

Индексы 1 и 2 говорят о высоте развода зубьев до и после испытания. Она должна быть не менее 1,65 толщины шайбы (^2= 1,658. Для РПШ М10 толщина её 5”=2,5мм и минимальный размер после испытания Л2=1,65-2.5 =4.13 мм).

В этом стандарте не указано допустимое число циклов "сжатие - разжимание" и допустимая длительность нахождения РПШ в состоянии сжатия без потери своих пружинящих свойств, способных предотвратить самопроизвольное ослабление крепежной детали.

86

В.М. Друй,

Г.И. Разгильдеев

Результаты эксперимента

Число циклов "сжатие -разжимание" 0 5 10 20 40 70

Число выбракованных РПШ(^2 <4, 13 мм) 0 8 20 26 39 60

Повреждаемость РПШ % 0 13,3 33,3 43,3 65 100

О 5 10 20 40 70

Числосжатий-расжатий п

Рис. 2. Зависимость числа поврежденных РПШ от числа сжатий

В целях выявления причин повреждений РПШ и их возможного ресурса в условиях регулярных циклов "сжатие - разжатие" были проведены испытания шайб, предназначенных для болтов М10. Из большой партии РПШ были случайным образом выбрано 60 штук. Объём выборки определён исходя из предположения нормального закона распределения высоты развода. Измерения до проведения эксперимента показали, что первоначальная высота развода концов РПШ колеблются от 4,42 до 5,40 мм и с вероятностью р = 0,6 по критерию Пирсона соответствует нормальному закону распределения со средним значением, к1ср = 4,84 мм. Стандартное отклонение о = 0,16 мм.

Эксперимент проводили в следующем порядке. Каждая из 60 РПШ сжималась и разжималась с частотой, указанной в таблице, после чего измеряли высоту развода концов всех шайб и отбраковывали те, размеры которых были Н2< 4, 13 мм. Результаты эксперимента представлены в таблице.

На рис.2 приведено изменение высоты развода концов Н2 РПШ, т. е. снижение пружинящих свойств РПШ в зависимости от числа циклов «сжатие - разжатие».

Как видно из графика, резкое изменение пружинящих свойств шайбы наступает в диапазоне 5 -10 сжатий (вскрытий ВНО). После 10 вскрытий ВНО 33% ПШ не соответствуют требованиям, а после 70 сжатия - все 100%. При трехмесячном цикле проведения ревизий [2] (3-24-30=2160 часов) число ревизий составит 3 раза (7270/2160=3). Т.е. между ревизиями пускатель вскрывается примерно до 20 раз (57/3=20) и число поврежденных РПШ при этом может составить 28 штук (47%). Поэтому рекомендуется в обязательном порядке полностью менять РПШ на крышках вводных отделений низковольтных коммутационных аппаратов, двигателей и быстрооткрываемых крышках передвижных подстанций при плановых ревизиях передвижного ЭО.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ 22782.0 -81. Электрооборудование взрывозащищенное. Общие технические требования и методы испытаний.

2. ГОСТ Р 51330.0 - 99. Электрооборудование взрывозащищённое. Часть 0. Общие требования.

3. Правила безопасности в угольных шахтах. Инструкции.Кн. 2 / Постановление Госгортехнадзора России от 30.12.94 г. № 67.-М.: Недра, 1996.-254 с.

4. Разгильдеев Г.И., Друй В.М. О состоянии средств взрывозащиты рудничного взрывозащищенного электрооборудования. - Ж. Горное оборудование и электромеханика. № 9, 2008. с. 13 - 14.

Авторы статьи:

Друй

Владислав Михайлович, ст. преп. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ. тел.: 8(3842)25-45-69

Разгильдеев Геннадий Иннокентьевич, докт. техн. наук, проф. каф. электроснабжения горных и промышленных предприятий КузГТУ