Расчетное определение потерь электроэнергии в цеховых сетях

УДК 621.311

РАСЧЕТНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В

ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ

Е.И. ГРАЧЕВА Казанский государственный энергетический университет

Представлены результаты исследования возможности анализа потерь электроэнергии в оборудовании низковольтных цеховых сетей.

Ключевые слова: потери электроэнергии, низковольтное оборудование, цеховые сети.

Одной из основных задач современной промышленности, наряду с увеличением абсолютных объемов производства электроэнергии, является усиление контроля за ее рациональным использованием. Экономия электроэнергии и снижение расхода на ее передачу по электрическим сетям имеют большое значение для энергетики страны. В нынешних условиях России при возникновении мелких и средних производств и разукрупнении промышленных гигантов проблема экономии электроэнергии остается весьма актуальной. В настоящее время задача отыскания резервов экономии на основе анализа расхода электроэнергии становится особенно важной, тем более что резервы экономии значительны. Непрерывный рост потребления электроэнергии стимулирует темпы роста электрических комплексов.

Решение задачи повышения эффективности расходуемой на промышленном предприятии электроэнергии производится с использованием данных о реальном потреблении и о величине потерь электроэнергии в отдельных производственных подразделениях и цехах. Эта информация является первоосновной любого анализа электропотребления и определяет характер мероприятий, проводимых с целью снижения уровня потерь электроэнергии внутри промышленного предприятия. Потери электроэнергии в электрических сетях остаются одним из важнейших показателей, характеризующих экономичность работы энергосистем всех уровней. Считается, что при передаче электроэнергии от источников питания до приемников теряется в среднем 10 и более процентов отпущенной с шин источников питания электроэнергии. В объеме предприятий электрических сетей и крупных промышленных комплексов находится свыше 1000 трансформаторных подстанций 6-20/0,4 кВ, десятки тысяч низковольтных проводов и кабельных линий, десятки тысяч низковольтных электрических аппаратов и т.п. Около 80% всей вырабатываемой электроэнергии потребляется низковольтными приемниками электроэнергии.

На данном этапе развития энергетики выдвинуты новые требования к системе учета потерь, определяемые, в основном, сложившимися трудностями по выявлению параметрической и режимной информации о сети.

Цеховые сети напряжением 0,4 кВ отличаются от сетей более высоких напряжений наименьшей достоверностью и полнотой исходной информации. Известные в настоящее время методики определения потерь электроэнергии в низковольтных сетях имеют большие погрешности расчетов и не удовлетворяют современным требованиям. Вместе с тем существует необходимость точного определения потерь электроэнергии в цеховых сетях.

Потери электроэнергии АЖ в отдельной линии трехфазной сети могут быть представлены выражением

© Е.И. Грачева

Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

AW = 13Т12 (г) (,

где Т - расчетный интервал времени потерь; г - эквивалентное сопротивление линии; г(г) - мгновенное значение тока линии в момент времени г, определяется по экспериментальному или расчетному графику нагрузки линии, либо по одной из многочисленных методик расчета электрических нагрузок.

К сожалению, величины гиг являются переменными, зависящими от целого ряда факторов.

Сопротивление линии г, с учетом нагрева проводников и с учетом коммутационных аппаратов, установленных на линии, может быть представлено как [1]

к

г = гоI [1 + а

1

где го - удельное электрическое сопротивление жилы при 20°С, мОм/м; I - длина линии, м - должна определяться по плану прокладки линии и с учетом того, что провода и кабели прокладываются «змейкой», а не внатяжку, чтобы скомпенсировать монтажные и температурные удлинения линии; а -температурный коэффициент увеличения сопротивления материала провода линии, равный 0,00385 1/°С; 0 - температура жилы провода, зависящая от токовой нагрузки линии и от температуры окружающей среды, °С, определяется по к

выражению (6); £ гк - сумма сопротивлений контактных соединений 1

коммутационных аппаратов на линии, мОм.

Известно, что нагрузочные графики характеризуются средним значением тока за расчетный период, среднеквадратичным значением потребляемого тока, максимальным значением потребляемого тока и так далее.

Рассмотрим линию цеховой сети с установленными коммутационными аппаратами (рис. 1). _

П

Л

\ АВ

О-

Рис. 1. Линия цеховой сети, соединяющая силовой пункт с приемником энергии: П -предохранитель; АВ - автоматический выключатель; Л - кабельная линия 0,4 кВ марки АВВГ сечением 25мм2 длиной 20м (в соответствии с планом сети); ЭП - электроприемник мощностью

30 кВт

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

Суточный график нагрузки электроприемника изображен на рис. 2.

Рис. 2. Суточный график токовой нагрузки линии цеховой сети

Определим потери электроэнергии в линии по среднеквадратичному значению тока нагрузки. Сопротивление линии найдем с учетом сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов и с учетом нагревания проводников линии. Сопротивление контактных соединений автоматического выключателя АВ типа АЕ2046 (с /н=63А) составит 3,49; 3,5 и 3,51 мОм при температуре окружающей среды +5, +20 и +35°С соответственно, а предохранителя П типа НПН-2 - 1,5 мОм [1].

Проведем расчеты определения потерь электроэнергии на интервалах графика для различных значений температуры окружающей среды. Примем эти значения равными 5, 20 и 35°С.

Удельное сопротивление жилы кабеля составляет р0 = 0,031м0м • м при 0=20°С. Сопротивление линии изменяется практически скачком, оставаясь постоянным на интервалах графика, так как постоянная времени нагревания проводников очень мала по сравнению с расчетными промежутками. Поэтому потери электроэнергии для данной линии можно считать постоянными на интервалах графика нагрузки и кривую нагрева проводников в данном случае не учитывают.

Среднеквадратичный ток за период времени Т [2]

/ ср =

— Г / 2 )А . Т0

Для представленного графика нагрузки выражение (3) можно привести к

виду

/ср =

10 + /10-12 + /12-14 + /14-16 + /16

-18 )

Е т

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

Здесь Т - продолжительность времени интервала графика нагрузки, одинаковая для каждой ступени графика; I - ток нагрузки соответствующего интервала по расчету. Для данного графика нагрузки Iср = 38,85 А .

Для определения потерь электроэнергии введем понятие среднего сопротивления, так как на разных интервалах графика нагрузки сопротивление линии и коммутационной аппаратуры разное. Для приведенного графика нагрузки можно определить

к = Т1

Т(1 8-10 +110-12 +112-14 +114-16 +116-18^

По выражению (5) определяется среднее (эквивалентное) сопротивление линии цеховой сети с учетом и без учета процессов нагрева в зависимости от вычисленных значений сопротивления на интервалах графика нагрузки.

В табл. 1, 2 приведены значения сопротивления линии и коммутационной аппаратуры на различных интервалах графика нагрузки, в табл. 3 - значения потерь электроэнергии, рассчитанные по среднеквадратичному току линии для различных температур окружающей среды.

Таблица 1

Сопротивления линии и коммутационной аппаратуры на различных интервалах графика

нагрузки

Температура окружающей среды, °С Сопротивление линии, мОм Сопротивление аппаратуры, мОм

8-10 10-12 12-14 14-16 16-18 8-10 10-12 12-14 14-16 16-18

5 25,6 26,3 25,2 26,5 25,6 5,00 5,02 4,99 5,02 5,00

20 27,2 27,9 26,8 28,1 27,2 5,01 5,03 5,01 5,04 5,01

35 28,8 29,5 28,4 29,7 28,8 5,03 5,04 5,02 5,05 5,03

Таблица 2

Температура окружающей среды, °С Общее сопротивление, мОм ^ср, мОм

8-10 10-12 12-14 14-16 16-18

5 30,60 31,32 30,19 31,52 30,60 30,85

20 32,21 32,93 31,81 33,14 32,21 32,46

35 33,83 34,54 33,42 34,75 33,83 34,07

Таблица 3

Расчет потерь электроэнергии по среднеквадратичному току линии

Температура окружающей среды, °С Средне-квадратичный ток линии, А Среднее сопротивление линии, мОм Установившееся среднее сопротивление линии с учетом нагрева, мОм Потери электроэнергии, Вт-ч Потери электроэнергии с учетом нагрева, Вт-ч

5 38,85 28,37 30,85 1285 1397

20 38,85 29,8 32,46 1349 1470

35 38,85 31,23 34,07 1414 1543

Как следует из расчета потерь электроэнергии, неучет температуры окружающей среды ведет к погрешности 5%, неучет нагрева проводников и контактов аппаратов - к погрешности 8,3%, неучет температурных режимов - к

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

погрешности 12,3%, что является весьма существенным. Для данного графика нагрузки не учитываем время охлаждения и нагрева проводника, т.к. оно несоизмеримо мало с длительностью интервала графика нагрузки.

Для выявления влияния процесса нагревания проводов рассмотрим пример, изменив параметры нагрузки. Пусть мощность электроприемника составляет 90 кВА, сечение кабеля примем 70мм2 (I доп = 140 А ), длина кабеля 40 м.

Для кабеля АВВГ сечением 4х70 мм постоянная времени нагрева составляет Т = 1064 сек«18 мин. График нагрузки линии показан на рис. 3, а график изменения потерь мощности - на рис. 4. Сопротивления автоматического выключателя и предохранителя равны, соответственно, 1,3 мОм и 0,8 мОм. [1]

Рис. 3. График токовой нагрузки линии цеховой сети

Температура проводников линии В в переходном режиме в произвольный момент времени после возникновения, увеличения, уменьшения или отключения нагрузки определяется по выражению

В = В

уст

- г

1 - * Т

- г

+ Вн .*Т ,

где В

уст

установившаяся температура нагрева проводника, по которому

протекает ток I, °С, определяется по выражению

В уст ~ В н

Г N 2

I

\ 1 н У

где Iн - номинальный ток рассматриваемой линии, А; г - рассматриваемый период времени, мин; Т - постоянная времени нагрева проводника, мин; Вн -номинальная температура нагрева проводника, °С.

Потери электроэнергии определяются по выражению (1). Для интервалов графика нагрузки они определяются как

=£ \Piti

I=1

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

Здесь АР; - потери мощности на ;-ом интервале графика нагрузки; -

продолжительность интервала, ч.

АЖ; = 3/2Я20 Д1 + а(ср -20)) + 31;2Я= 0

= 312 Я20 (1 - а (вер - 20))'; + 3/2 Я^';.

Здесь /[ - ток интервала графика нагрузки, А; Я 20 - сопротивление линии при температуре 20°С, Ом; Яа; - суммарное сопротивление коммутационной аппаратуры в линии при данном токе нагрузки, Ом.

Рис. 4. График потерь мощности в линии цеховой сети в ср - среднее значение температуры,

11/

вср = — | вА =в '; 0

уст

Т / \ Т г

1 1 — 1 - е Т + вн- 1 - е Т

V V V У

Согласно выражению (10) можно определить вср для интервалов графика

нагрузки и вычислить потери электроэнергии.

Как показывает график (рис. 4), в данном случае потери мощности не являются постоянными за расчетный промежуток времени. Следовательно при

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12

определении потерь необходимо учитывать нагревание проводников, если расчетный интервал времени соизмерим с постоянной времени нагрева проводников.

Кабельные линии цеховых сетей низкого напряжения являются самыми материалоемкими элементами, поэтому эффективное использование их является важной задачей в настоящее время, когда наблюдается постоянный рост стоимости электроэнергии и материалов. Как показывают результаты расчетов, неучет нагрева проводников, температуры окружающей среды и сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов могут привести к погрешностям до 20% при определении величины потерь электроэнергии в цеховых сетях.

Summary

Results of research an opportunity of application analysis of losses of energy of law voltage surtching equipment of industrial department network.

Key words: the losses of energy, low voltage surtching equipment, industrial department network.

Литература

1. Шевченко В.В., Грачева Е.И. Определение сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов // Промышленная энергетика. № 1. 2002. С. 42-43;

2. Поспелов Г.Е. Потери мощности и энергии в электрических сетях / Поспелов Г.Е., Сыч Н.М. М.: Энергоиздат, 1981. 216 с.

Поступила в редакцию 6 апреля 2009 г.

Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» Казанского государственного энергетического университета. Тел.: 8 (843) 519-42-73; 8 (843) 265-92-81; 8-917-268-88-91.

© Проблемы энергетики, 2009, № 11-12