Эффективность замены низковольтных коммутационных аппаратов на примере промышленного предприятия

УДК 621.316

ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЗАМЕНЫ НИЗКОВОЛЬТНЫХ КОММУТАЦИОННЫХ АППАРАТОВ НА ПРИМЕРЕ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ

А.В. Шагидуллин

Казанский государственный энергетический университет

Резюме: Статья посвящена оценке эффективности замены установленных в цеховых сетях низковольтных коммутационных аппаратов на новые в целях снижения потребления электрической энергии на промышленном предприятии. Рассмотрена динамика изменения электропотребления и относительных потерь электроэнергии в низковольтных сетях с учетом времени эксплуатации оборудования.

Ключевые слова: низковольтные сети, коммутационные аппараты, автоматический выключатель, магнитный пускатель, экономия электроэнергии.

THE EFFECTIVENESS OF THE REPLACEMENT LOW-VOLTAGE SWITCHING DEVICES ON THE EXAMPLE OF INDUSTRIAL ENTERPRISE

A.V. Shagidullin

Kazan State Power Engineering University

Abstract: The article is devoted to evaluating the effectiveness of replacing installed in the workshop network of low-voltage switching devices for new in order to reduce electricity consumption in an industrial plant. The dynamics of change in the relative power consumption and energy losses in low-voltage networks, taking into account the time of the equipment.

Keywords: low-voltage network, switching devices, circuit breaker, magnetic switch, energy savings.

Недофинансирование электросетевого комплекса России с начала девяностых годов прошлого века привело к критической изношенности основных фондов. Проведенный анализ возрастной структуры оборудования показал, что более 54 % оборудования выработало нормативный срок эксплуатации (25 лет), более 22 % оборудования выработало сверхнормативный срок эксплуатации (35 лет и выше). Кроме того, в следующие 10 лет ожидается значительный рост доли оборудования со сверхнормативным сроком эксплуатации. Физический и моральный износ оборудования может стать причиной возникновения технологических нарушений, несчастных случаев, а также роста эксплуатационных затрат. Изношенные элементы внутрицеховых линий электропередачи могут быть повреждены при внешнем воздействии или стать причиной роста потерь электроэнергии ввиду увеличения нагрузок [1, 2].

Представляет интерес возможный экономический эффект от замены коммутационного оборудования внутрицеховых сетей до его отказа [1]. По результатам исследований потерь мощности в контактных соединениях низковольтных коммутационных аппаратов (НКА), предлагаются мероприятия по замене аппаратов, имеющих наибольшие потери, на аппараты российских заводов-изготовителей с меньшими

потерями мощности в аппарате и аналогичными характеристиками защиты [4]. В процессе эксплуатации контакты НКА изнашиваются, образуются пленки, в результате чего начальное значение сопротивления контактных соединений НКА возрастает [5], что ведет к увеличению эквивалентного сопротивления сети и увеличению потерь электроэнергии [6].

Для корректирования режима электропотребления в цеховой сети (рис. 1) и снижения потерь активной мощности в контактах и контактных соединениях коммутационных аппаратов предлагается заменить установленные низковольтные коммутационные аппараты на аналоги, позволяющие снизить потери мощности на величину порядка 5 + 50 % [7, 8].

Ш М4061 Н215<1 П1Р М4062 Н215/2_|

Рис.1. Схема распределительной сети 0,4кВ

При разработке плановых заданий расхода электроэнергии удобно пользоваться эквивалентными сопротивлениями исследуемых сетей или их участков [9]. Потери электроэнергии по эквивалентному сопротивлению находятся по выражению

пер р2 гр

иср со8 Ф ср

где Рср - средняя мощность электроприемников, МВт; Т - расчетный период, ч; ¿Уср -

напряжение сети, В; cos ф ср- средний коэффициент мощности приемников электроэнергии.

С учетом неизменности технологии и количества выпускаемой продукции потери электроэнергии для рассматриваемого участка цеховой сети составляют 3,51% от потребления электроэнергии без потерь:

. 100%=1252МВ1.100%=3,51%; . 100о%=1265МВт. 100о% = 3,51%,

W6n2014 356,6 МВт W6n2015 360,4 МВт

где AW2014, AW2015 - потери электроэнергии на участке цеховой сети, изображенной на

рис. 1, за 2014 и 2015 гг. соответственно; W6n2014, W6n2015 - расход электроэнергии на

технологию на том же участке сети за 2014 и 2015 гг.

С учетом выражения (1) расчетный отпуск электроэнергии составит

R3 04T 100 т

Wр ~ Т 2 2 г 2 2 ' 3 51

Uср cosфСр Uср ^фср 3,51

Погрешность расчетного отпуска электроэнергии, найденного по эквивалентному сопротивлению по (2), от фактически потребленной электроэнергии рассматриваемыми цеховыми потребителями за 2014-2015 гг. приведена в табл. 1.

Таблица 1

Расход электроэнергии по годам

Параметр Год

2014 2015

Отпуск энергии в сеть W, МВтч 373,05 374,68

Расчетный отпуск энергии в сеть Wр, МВтч 369,8 370,3

Погрешность Wр от W, % -1,03 -1,19

Потери электроэнергии за 2014 г. определены по выражению (1), где рр = 12,34 МВт2*10~3;

Т =1980 ч; иср =0,4 кВ; 008 ф ср =0,59; л£р = Яэ0 = 25,75 мОм - эквивалентное

сопротивление рассматриваемого участка сети с низковольтными коммутационными аппаратами, установленными в данном году.

При замене 10 автоматических выключателей марки SchneiderElectricc Iн < 160А , установленных на линиях 1ШЩ - Н212/1, Н213/1, В114/1, В114/2, и 2111111 - П1, П1р, Н406/1, Н215/1, Н215/2, Н406/2, при 80% отработанном ресурсе на автоматы фирмы 1EK [0], потери мощности снизятся на 70 %, что приведет к экономии электропотребления 1015,8 кВт-ч в год замены (табл. 2).

Для эффективного управления режимами эксплуатации и снижения электропотребления целесообразна замена контакторов, установленных в цепях электродвигателей, для аппаратов с 1н = 26^ 110 А. В табл. 3 представлены сравнительные характеристики установленных и предлагаемых к замене контакторов.

При замене только 7 контакторов марки SchneiderElectricc Iн < 80 А, установленных на линиях 1ШЩ - В114/1, В114/2, и 2111111 - П1, Пр1, Н215/1, Н215/2, Н406/1, на 80% ресурса на контакторы завода КЭАЗ, потери мощности снизились на 82 %, что приведет к годовой экономии электропотребления 351,2 кВт-ч.

Таблица 2

Варианты замены установленных автоматических выключателей_

Обозначение аппарата на схеме ом.т ок /н, А Производитель (установленные/замен а) Сопр-ие, мОм Потери мощности в 1 аппарате, Вт Потери электроэнергии, кВт-ч/год

дЕ 2.1, др 2.5 0 8скпв1<1егЕ1ес1пс 1,20 20,7 331,8

/ЕК 1,11 7,1 113,7

2.3 , дЕ 2.4 160 8скпе1<1егЕ1ес1пс 0,46 31,8 508,7

/ЕК 0,39 10,0 159,7

дЕ 3.1, дЕ 3.4 3 8скпе1<1егЕ1ес1пс 1,67 17,9 286,3

/ЕК 1,31 5,2 83,2

дЕ 3.2 5 8скпе1<1егЕ1ес1пс 6,33 10,7 85,5

/ЕК 4,50 2,8 22,5

дЕ 3.3, дЕ 3.6 2 8скпе1<1егЕ1ес1пс 4,37 12,1 193,3

/ЕК 3,03 3,1 49,6

дЕ 3.5 8скпе1<1егЕ1ес1пс 145 6,3 50,1

/ЕК 87,5 1,4 11,2

SchneiderElectr 1с 1455,7

/ЕК 439,9

Экономия 1015,8

Таблица 3

Варианты замены установленных контакторов_

Обозначение аппарата на схеме Номинальн ый ток /н, А Производитель (установленные/замен а) Сопротивление, мОм Потери мощности в 1 аппарате, Вт Потери электроэнергии, кВт-ч/год

1ЩЩ-В114/1, 1ЩЩ-В114/2 80 SchneiderElectric 0,70 12,1 193,5

75 КЭАЗ 0,36 2,0 32,4

2ЩЩ-П1, 2ЩЩ-Пр1 65 SchneiderElectric 0,80 9,1 146,0

63 КЭАЗ 0,38 1,5 24,1

2ЩЩ-Н215/1, 2ЩЩ-Н215/2 32 SchneiderElectric 1,49 4,1 65,9

30 КЭАЗ 1,00 0,9 14,4

2ЩЩ-406/1 25 SchneiderElectric 1,59 2,7 21,5

26 КЭАЗ 0,89 0,6 4,8

SchneiderElectric 426,9

КЭАЗ 75,7

Экономия 351,2

С учетом замены приведенных аппаратов на 80% сроке их эксплуатации изменение эквивалентного сопротивления схемы и расчетного отпуска электроэнергии [8] представлено в табл. 4.

Таблица 4

Изменение расчетного отпуска электроэнергии в сеть на участке цеховой сети при проведении _энергоэффективных мероприятий_

лет 0 2 4 6 8 10 12

Дэкв сети, мОм было 5,75 27,23 28,14 32,37 37,23 42,82 49,26

стало 29,64 32,39

Потери А Ж , МВтч было 12,34 3,24 13,68 15,73 18,10 20,81 23,94

стало 14,41 15,74

Расчетный отпуск энергии в сеть Wр, МВтч было 369,1 369,8 370,3 372,3 374,7 377,4 380,5

стало 371,0 372,3

Стоимость потерь э/э, тыс. руб. было 50,07 52,94 54,71 62,94 72,39 83,26 95,78

стало 57,63 62,97

Экономия от замены аппаратов тыс. руб. 25,63 32,80

% 1,70 2,16

На рис. 2 показано изменение расчетного отпуска электроэнергии с учетом замены низковольтных коммутационных аппаратов.

Wр, МВтч 384

380

376

372

368

Рис.2. Зависимости изменения расчетного отпуска электроэнергии (Wр) от времени эксплуатации до и после замены аппаратов

Замена коммутационных аппаратов при отработке ресурса на 80% является эффективным мероприятием, позволяя снизить расход электроэнергии на 6,4 МВтч в год замены и на 8,2 МВт-ч в будущем году.

Также замена по приведенной методике для участка механического цеха с суммарной мощностью силового пункта 26,9 кВт 32 коммутационных аппаратов (16 автоматических выключателей и 16 магнитных пускателей) при отработке ресурса на 80% (8 лет) позволяет достичь экономии 10,38 тыс. руб. за счет снижения потерь электроэнергии с 6,2 МВтч до 4,3 МВтч.

_ Wр до замены Н КА

--Wр по ссле замен ы НКА

\ N \ N

\ \

t, лет

0 2 4 6 8 10 12

Выводы

1. Определена динамика изменения электропотребления и относительных потерь электроэнергии с учетом времени эксплуатации оборудования.

2. Проведена технико-экономическая оценка замены низковольтных коммутационных аппаратов на их более энергоэффективные аналоги.

3. Показано, что разработанные специализированные модели определения расчетного отпуска электроэнергии в промышленную сеть (2) могут быть использованы для эффективного планирования мероприятий по энергосбережению. Предлагаемые математические модели позволяют также проводить достоверную технико-экономическую оценку проводимых мероприятий.

Литература

1. Рожкова Л. Д. Электрооборудование электрических станций и подстанций : учебник для сред. проф. образования / Л. Д. Рожкова, Л. К. Карнеева, Т. В. Чиркова. М. : Издательский центр «Академия», 2013. 448 с.

2. Gasperic, S. Energy losses in low voltage distribution network / S. Gasperic // Proceedings of the 2011 3rd International Youth Conference on Energetics (IYCE). IEEE ConferencePublications - 2011. - p. 15.

3. Федоров О.В. Оценка ресурсосбережения электрооборудования / М.Ю. Петушков, А.С. Сарваров, О.В. Федоров // Электрооборудование: эксплуатация и ремонт. 2015. № 3. С. 24-28.

4. Шагидуллин А.В. Расчет сопротивлений контактных соединений и потерь мощности автоматических выключателей / Е.И. Грачева, А.В. Шагидуллин, А.В. Рыбакова, А.Н. Хаерова // Главный энергетик. 2013. № 9. С. 23-27.

5. Фадин В.В. Изменения структуры поверхностного слоя металлических материалов при нагружении трением и электрическим током / В.В. Фадин // Известия высших учебных заведений. Физика. 2013. Т. 56. № 4. С. 16-21.

6. Наумов И.В. Качество электрической энергии и снижение дополнительных потерь мощности в электрических сетях / И.В. Наумов, С.В. Подьячих, Д.А. Иванов // Вестник ИрГСХА. 2009. № 37. С. 83-88. Новгород : НГТУ, 2009.

7. Акимов Е.Г. Силовые автоматические выключатели: обзор рынка и перспективы развития / Е.Г. Акимов // Новое в российской электроэнергетике. 2013. № 4. С. 33-50.

8. Шагидуллин А.В. Энергоэффективность мероприятий по экономии электроэнергии в низковольтных цеховых сетях / Е.И. Грачева, А.В. Шагидуллин // Надежность и безопасность энергетики. 2016. №1(32). С. 64-67.

9. Dickert J. Residential load models for network planning purposes / J. Dickert, P. Schegner // P2010 Modern Electric Power Systems. IEEE Conference Publications. 2010. p. 1-6.

10. Модульное оборудование: каталог: IEK. М., 2013. 81 с.

Автор публикации

Шагидуллин Андрей Владиславович - старший преподаватель кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).

References

1. Rozhkova L. D. Jelektrooborudovaniejelektricheskihstancij i podstancij :uchebnikdljasred. prof. obrazovanija / L. D. Rozhkova, L. K. Karneeva, T. V. Chirkova. - M. :Izdatel'skijcentr «Akademija», 2013. -448 s.

2. Gasperic S. Energy losses in low voltage distribution network / S. Gasperic // Proceedings of the 2011 3rd International Youth Conference on Energetics (IYCE). IEEE Conference Publications - 2011. - p. 1-5.

3. Fedorov O.V. Ocenkaresursosberezhenijajelektrooborudovanija / M.Ju. Petushkov, A.S. Sarvarov, O.V. Fedorov // Jelektrooborudovanie: jekspluatacija i remont. - 2015. - № 3. - S. 24-28.

4. Shagidullin, A.V. Raschet soprotivlenij kontaktnyhsoedinenij i poter' moshhno stiavtomaticheskih vykljuchatelej./ E.I. Gracheva, A.V. Shagidullin, A.V. Rybakova, A.N. Haerova // Glavnyjj energetik. -2013. - № 9. - S. 23-27.

5. Fadin, V.V. Izmenenij astruktur ypoverhnos tnogoslojametal licheskihma terialovprinagruz heniitreniem i jelektricheskimtokom. / V.V. Fadin // Izvestijavy sshihuchebn yhzavedenij. Fizika. - 2013. -T. 56. № 4. - S. 16-21.

6. Naumov, I. V. Kachestvojelektricheskojjenergii i snizheniedopolnitel'nyhpoter' moshhnosti v jelektricheskihsetjah / I. V. Naumov, S. V. Pod#jachih, D. A. Ivanov // VestnikIrGSHA. - 2009. - № 37. - S. 83-88. Novgorod : NGTU, 2009.

7. Akimov, E.G. Silovyeavtomaticheskievykljuchateli: obzorrynka i perspektivyrazvitija / E.G. Akimov // Novoe v rossijskojjelektrojenergetike. - 2013. - № 4. - S. 33-50.

8. Shagidullin, A.V. Jenergojeffektivnost' meroprijatij pojekonomiijelektro jenergii v nizkovol'tnyhcehovyhsetjah. / E.I. Gracheva, A.V. Shagidullin // Nadezhnost' i bezopasnost' jenergetiki. -2016. - №1(32). - S. 64-67.

9. Dickert, J. Residential load models for network planning purposes / J. Dickert, P. Schegner // P2010 Modern Electric Power Systems. IEEE Conference Publications - 2010. - p. 1-6.

10. Modul' noeoborudovanie: katalog: IEK. - M., 2013. - 81 s.

Authors of the publication

Shagidullin Andrey Vladislavovish - Senior Lecturer of department «Power supply of industrial enterprises» (EPP) Kazan state power engineering university (KSPEU).

Поступила в редакцию 20 февраля 2017г.