Анализ потерь электроэнергии систем цехового электроснабжения

УДК 621.311.1:519.2

АНАЛИЗ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ СИСТЕМ ЦЕХОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Е.И. ГРАЧЕВА, Н.А. КОПЫТОВА

Казанский государственный энергетический университет

Анализ потерь электроэнергии систем цехового электроснабжения был проведен для участка механического цеха. В статье рассмотрено влияние таких параметров на величину потерь электроэнергии, как сопротивление контактов коммутационных аппаратов, установленных на линии, нагрев проводов и кабельных линий, а так же температура окружающей среды.

Ключевые слова: потери электроэнергии, цеховые сети, сопротивление контактов коммутационных аппаратов.

В условиях рыночной экономики возрастают требования к точности учета потерь электроэнергии при планировании, контроле и анализе технико-экономических показателей работы промышленных предприятий.

Передача, распределение и потребление электроэнергии на промышленных предприятиях должны производиться с высокой экономичностью, надежностью и требуемым качеством электроэнергии.

На величину потерь электроэнергии влияет большое число различных факторов. Снижение уровня потерь в электрических сетях промышленных предприятий - одна из наиболее важных эксплуатационных задач. Для определения содержания и порядка проведения мероприятий по снижению потерь необходимо предварительно выявить основные недостатки построения и функционирования сети.

Оценим влияние на величину потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения таких параметров, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов, температура окружающей среды, на основе данных 218 схем предприятий машиностроительной отрасли. В качестве примера рассмотрим участок механического цеха.

Система цехового электроснабжения участка механического цеха представляет собой смешанную схему, состоящую из радиальных и магистральных линий (из 4-х распределительных шинопроводов). В табл. 1 показаны основные схемные и режимные характеристики оборудования участка механического цеха с учетом числа коммутационных аппаратов, установленных на линиях.

Нагрузочные потери А№н электроэнергии в элементе трехфазной сети сопротивлением Я находят по выражению

Т 2

А№н = 3 Я112

0

где /(¿) - полный ток в элементе в момент времени

Точное определение потерь электроэнергии за интервал времени Т возможно при известных значениях параметра Я и функции времени /(¿) на всем интервале.

© Е.И. Грачева, Н.А. Копытова

Проблемы энергетики, 2011, № 9-10

Примечательно, что сопротивление проводов ответвлений от шинопроводов вычисляется как сопротивление радиальных сетей и затем учитывается в выражении для эквивалентного сопротивления шинопровода:

Яэш = [>-20 • 1 • ^6

где >20 - сопротивление 1 м шинопровода при 20 °С, мОм; / - длина шинопровода, м; п - количество приемников, присоединенных к шинопроводу; гп -сопротивление провода ответвления от шинопровода, мОм; >к - сопротивление коммутационного аппарата ответвления, мОм; а - температурный коэффициент увеличения сопротивления, 1/°С; 0 - температура шинопровода, °С; 00 -температура окружающей среды, °С.

Таблица 1

Схемные и режимные характеристики оборудования механического цеха

Фирма -производитель оборудования Кол-во комута-ционных аппаратов на одной линии Кол-во линий сети Пределы изменения длины линии, м Пределы изменения сечения линии, мм2 Пределы изменения мощности приемника электроэнергии, питающегося от линии, кВт Пределы коэффициента загрузки линии сети

Отечественный производитель 1 48 3 - 10 10 - 185 17 - 150 0,66 - 0,82

2 4 8 - 10 185 - 240 202 - 680 0,78- 1

3 1 10 35 40 0,72

Известно, что сопротивление радиальных сетей, в том числе и ответвлений от шинопровода зависит от его температуры:

Я = Р  /[1 + 0,004

где р - удельное электрическое сопротивление проводника мОм м; / - длина проводника, м; я - поперечное сечение проводника, мм2; 0 - температура нагрева проводника, °С; £ >к - сумма сопротивлений контактов коммутационных

аппаратов, установленных на линии.

Сопротивление контактов автоматических выключателей, установленных на линии:

тк =307//и (для /и > 60 А),

>к =349//и

где /и - номинальный ток выключателя.

С учетом того, что на линии к крану установлен 1 автоматический выключатель и ЯРП, состоящее из рубильника и предохранителя, тогда:

т^ =125//Н (для рубильников), Тк =68//Н (для предохранителей).

Кроме того, на линиях к токарному и фрезерному станкам установлены магнитные пускатели, для которых сопротивление контактов определяется по выражениям:

Я = 825//н для токарных станков (/н < 70 А); Я = 760//н для фрезерных станков (/н > 70 А). Средняя длина линии

п

X1г

/ср = —.

^ п

Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению линий сети тэ20 при 20° С,

п

Тэ20 = 31,3"П=-,

X ЗД

I=1

где - сечение г-й линии, мм2; 31,3 / - сопротивление 1 м алюминиевой линии сечением при 20° С, Ом/м.

Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий сети

п

X 4

Аз2 =

п

где кзг = /¡//н - - коэффициент загрузки г-й линии; /^ - ток в г - й линии, А;

/номг- - номинальный ток в линии -го сечения, А.

Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных сетей, в том числе и ответвлений от шинопровода, вычисляем по выражению:

Я = [Тэ20 • I[1 + 0,004

0Ж = к з2

где 0ж - температура жилы кабеля; 80 - допустимая температура нагрева жилы кабеля.

Затем находим общее сопротивление разветвленной сети с учетом числа шинопроводов:

^ = •1/т • Кэш Кэ +1/т • Кэш

где т - число магистральных линии.

Пример расчета покажем для первого шинопровода.

1. Сумма сопротивлении контактов коммутационных аппаратов, установленных на линиях ответвлениях от шинопровода,

л 307

> гк = 2--+ 9

^ к 100

/349 825

-+-

35 40

= 281,5 мОм.

2. Средняя длина линий, отходящих от шинопроводов (5), /ср = (2 • 5 + 3 • 9)/11 = 3,4 м.

3. Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению ответвлений гэ20 при 20° С (6):

313 2 • 5 + 3 • 9 _

гэ20 = 31,3-= 1,5 мОм.

э20 9•3•10+2•5•50

4. Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий ответвлений (7):

,2 2• 0,722 + 0,662 • 9

к2 =-----= 0,46 .

3 11

5.Температура жилы кабеля 0ж = 0,46(80 - 20) + 20 = 47,7 °С.

Если не учитывать температуру окружающей среды #0, тогда 0ж = • 80 = 0,46 • 80 = 36,9 °С.

6. Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных ответвлений от шинопроводов вычисляем по выражению (8):

гп = (1,1 • 3,4(1 + 0,004(47,7 - 20))) • 1 /11 = 0,5 мОм .

7. Сопротивление 1 м шинопровода при 20 °С

52 52

= 0,13 мОм.

8. Эквивалентное сопротивление шинопровода

Г20 1н 400

Кэш =

I . .1.1. -

1 / 1> и 1 ^

1 + 1 2 + — + 0,5

6 ч 11,

[1 + 0,004(57,4 - 20)]+ 281,5

11

= 26,7 мОм.

9. Сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на радиальных линиях, отходящих от шин РУ,

307 307 125 68 „, _

гк = 3--+-+-+-= 8,6 мОм.

к 320 80 100 100

10. Средняя длина радиальных линий, отходящих от РУ

/ср = 40/4 = 10 м.

11. Величина, равная эквивалентному удельному сопротивлению линий гэ20 при 20° С, по формуле

4 • 10

гэ20 = 31,3-= 0,21 мОм.

э20 3•10•185+10•35

12. Квадрат среднеквадратичного коэффициента загрузки линий

2 = 3 • °,822 + °,722 = 0,63.

3 4

13. Температура жилы кабеля

0ж = 0,63(80 - 20) + 20 = 57,8 °С.

Без учета температуры окружающей среды

0ж = А-2 • 80 = 0,63 • 80 = 50,5 °С.

14. Таким образом, эквивалентное сопротивление радиальных ответвлений от шинопроводов вычисляем по выражению (8):

Лэ = (0,21 • 10(1 + 0,004(57,8 - 20))) • 1/4 = 2,8 мОм.

15. Сумма сопротивлений контактов коммутационных аппаратов, установленных на радиальных линиях, отходящих от шин РУ к шинопроводу 1,

V г = М + = 1,08 мОм. к 400 400

16. Затем находим общее сопротивление разветвленной сети с учетом числа шинопроводов:

== *э •1/т• *эш = 2,8•1/4•97,2 = 2,49 мОм.

оо Яэ +1/т • Яэш 2,8 +1/4 • 97,2

17. Электрическая нагрузка участка механического цеха имеет переменный характер, поэтому потери мощности и электроэнергии в линиях зависят от изменения нагрузки. Суточный график электрических нагрузок участка механического цеха показан на рис. 1 и 2. В связи с этим, потери электроэнергии

будем рассчитывать по величине среднеквадратичного тока /ск, который представляет собой эквивалентный ток, проходящий по линии за интервал времени Т и вызывает те же потери мощности и электроэнергии, что и действительный изменяющийся за то же время ток.

Рис. 1. Суточный график нагрузок электроприемников механического цеха: 1 - кран; 2 -токарные станки; 3 - фрезерные станки; 4 - вентиляторы; 5 - компрессоры

Рис. 2. Общий суточный график электрических нагрузок механического цеха Среднеквадратичный ток /ск находим по среднему току /ср :

т2 23 • 70 Д72 + 24 • 23,222 + 3 • 254,132 + 4 • 97,712

/гк =---------= 4928,04 А;

ск 53

/ск = ,]4928,04 = 70,2 А.

18. Потери электроэнергии за 12-часовой рабочий день находим по выражению (1):

AW = (3 • 2,49 • 70,22 • 12) /1000 = 441,5кВт ч.

Полученные результаты представлены в табл. 2, где также указана погрешность определения потерь электроэнергии без учета таких параметров, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов, температура окружающей среды.

Таблица 2

Погрешность определения потерь электроэнергии механического цеха

Режим определения потерь электроэнергии в сетях низкого напряжения механического цеха Кэ, мОм Кэш, мОм Коб, мОм AW, кВт-ч 8р, %

с учетом всех параметров сети 2,8 21,1 1,93 441,5

без учета сопротивления контактных соединений 0,61 1,2 0,31 21,3 95,2

без учета нагрева шинопроводов и кабельных линий 2,65 21,87 1,89 424,3 3,8

без учета температуры окружающей среды 2,76 22,46 1,95 440,5 0,2

Выводы

1. При анализе системы цехового электроснабжения участка механического цеха учитывались следующие конструктивные и эксплуатационные характеристики: количество коммутационных аппаратов, установленных на линии, длина, сечение, нагрузка и коэффициент загрузки линии.

2. Потери электроэнергии определены для участка механического цеха с учетом таких параметров, как нагрев проводов и кабельных линий, сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов, температура окружающей среды.

3. Результаты расчетов указывают на необходимость учета сопротивления контактных соединений коммутационных аппаратов при определении потерь электроэнергии в цеховых сетях, в противном случае величина потерь становится сильно заниженной и погрешность вычислений доходит до 95% (табл. 2). Влияние других параметров на погрешность вычислений не так значительна.

Summary

The analysis of electric power losses in systems of a shop electrical supply has been spent for a site of mechanical shop. In article influence of such parametres on size of electric power losses as resistance in contacts of the switching devices established on a line, heating of wires and cable lines, and as an ambient temperature is considered.

Key words: electric power losses, shop networks, resistance in contacts of switching devices.

Литература

1. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1989. 20 с.

2. Грачева Е.И., Наумов О.В. Расчет сопротивления стягивания контактных соединений // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2007. №1-2. С. 147-153.

3. Герасименко А.А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. Ростов-на-Дону: Феникс; Красноярск: Издательские проекты, 2006. С. 707-713.

Поступила в редакцию

21 февраля 2011г.

Грачева Елена Ивановна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» (ЭММ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8 (843) 224-57-95.

Копытова Надежда Александровна - аспирант кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий и городов» (ЭММ) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-903-3406984. E-mail: nadin.kazan@mail.ru.