Целью расчета электрических нагрузок является определение токов, протекающих по токоведущим элементам, с точки зрения их допустимости по условиям нагрева элементов. Расчет электрических нагрузок является определяющим величину затрат в системах электроснабжения.
Ток, протекая по элементу вследствие его омического сопротивления, вызывает его нагрев. Температура нагрева проводников ограничивается по условиям износа изоляции и условиям работы самого элемента. Если бы токи в проводниках были неизменны, то расчет их сечений можно было бы производить, пользуясь допустимыми температурами перегрева. Для кабелей и проводов, например, она составляет 50…80°С. Но мы имеем изменяющийся во времени ток, который вызывает изменение температуры проводников. Нас интересует максимальная температура, которая может существовать некоторое время.
Требование, чтобы установившаяся температура была меньше допустимой (Туст< Тдоп) приводит к тому, что в паспорте оборудования (в каталожных данных) указывается: 1) для трансформаторов, электродвигателей, генераторов мощность, при которой не произойдет перегрева (ее и называют номинальной); 2) для проводов, кабелей, реакторов — допустимый ток, при котором не будет перегрева.
Расчет электрических нагрузок
Расчетная величина электрических нагрузок Рр определяет технические решения, диктуя затраты на изготовление электротехнических изделий, создание и развитие субъектов электроэнергетики, построение и функционирование объектов электрики. Ожидаемые Рр определяют электроснабжение всех уровней. Опыт показал, что Рр систематически завышаются и что проблемы расчета Рр не могут быть решены в рамках существующих теорий. Рынок снизил на четверть среднюю общезаводскую загрузку трансформаторов и сетей системы электроснабжения и коэффициент спроса предприятий.
Отсутствие анализа исходных данных (известных к моменту принятия решения по схеме электроснабжения при проектировании, во время эксплуатации и др.); отрыв расчета от технологических, временных и человеческих факторов; нечеткость представления, для каких целей, стадий проектирования и уровней системы электроснабжения выполняется расчет, порождают путаницу в терминологии, проявляющуюся в применении понятий, имеющих разный физический смысл, но одинаковое математическое представление. Понятие Рр многозначно и применяется, вопервых, как связанное с физическим процессом протекания электрического тока; вовторых, при инвестиционном проектировании, решении перспективных вопросов развития предприятия, модернизации отдельных производств, согласование вопросов присоединения (подключения) предприятия или отдельных его объектов с энергоснабжающей организацией; втретьих, для нормирования, оплаты и других целей, связанных с управлением электропотреблением и энергосбережением.
Исторически, со времен Вольта и Ома, греющее действие электрического тока поставило вопрос о выборе сечения проводников. И сейчас выбор элементов электрической сети из условий нагрева является одним из основных этапов проектирования. Максимальная температура перегрева проводника с постоянной времени нагрева Тн в общем случае определяется уравнением теплового баланса, решаемым до конечного результата только для неизменного во времени / графика нагрузки I(t) = const, т.е. для электроприемников, имеющих постоянную во времени нагрузку (не как на рис 2.3).
Закон изменения нагрузки (например, на протяжении года) достаточно сложен, особенно учитывая сезонную составляющую (рис. 2.5) и неравномерность потребления по дням недели (рис. 2.6). Подключение, соединение электроприемников в группу на распределительном щите или подстанции порождает случайный характер нагрузки, где уравнение теплового баланса неразрешимо изза математических трудностей.
Поэтому выбор сечения проводника по нагреву производят не по максимальной температуре перегрева, а по расчетной токовой на грузке /р, которая определяется на основании принципа максимума средней нагрузки.
Для оценки нагрева проводников правильнее использовать закон Джоуля—Ленца и вести расчет по максимуму среднеквадратичного (эффективного) тока для каждого изменения за определенное время. Расчетный ток /р, равный максимуму среднего тока, есть приближение, обеспечивающее инженерную точность при построении схемы электроснабжения.
При переменной нагрузке, когда график чаще всего случайный, использование выражения (2.7) приводит к эквивалентному по эффектам нагрева расчетному току /р, который вызывает в проводнике или такой же максимальный нагрев над окружающей температурой, или тот же тепловой износ изоляции, что и заданная переменная нагрузка /(/). ток /р обычно определяют по расчетной активной нагрузке.
В качестве расчетной нагрузки применяют среднюю нагрузку поактивной мощности за интервал реализации продолжительностью Г, который связывают с постоянной времени нагрева Г0. Использование максимальной из средних нагрузок (в этом и заключается принцип максимума средней нагрузки) позволяет судить о расчетном (проектном) максимуме, заявленном или фактическом суточном, недельном, месячном, квартальном и годовом 30минутном (Р = Pmax) максимуме.
В зависимости от конструкции, условий прокладки для каждого проводника любого назначения указывается неизменный во времени нормируемый (номинальный) ток /ном, длительно предельно допустимый по его нагреву. Например, по ПУЭ допустимый длительный ток для трехжильных кабелей напряжением 10 кВ сечением токолроводящей жилы 185 мм2 с алюминиевыми жилами с бумажной пропитанной маслоканифольной и нестекающей массами изоляцией в свинцовой или алюминиевой оболочке, прокладываемых в земле, составляет 310 А. ток принят из расчета прокладки в траншее (земле) на глубине 0,7… 1,0 м не более одного кабеля при температуре земли 15 °С, с удельным сопротивленцем земли 120 см * К/Вт и допустимой температурой жилы кабеля 60 °С.
При прокладке нескольких кабелей рядом в зависимости от расстояния между ними и от их количества вводится понижающий коэффициент до 0,75 (теоретически все изложенное есть мировоззрение первой научной картины мира: все можно и нужно рассчитывать). По току р выбирают ближайшее сечение, номинальный ток которого с учетом всех расчетных коэффициентов больше (Iном > Iр).
Таким образом, при проверке на нагрев проводников любого назначения принимается получасовой максимум тока /тах, наибольший из средних получасовых токов данного элемента. Выбор сечений проводников в отношении предельно допустимого нагрева производится с учетом не только нормальных, но и послеаварийных режимов, а также режимов в период ремонта и возможных неравномерностей распределения токов между линиями, секциями шин и т.п.
Кроме определения сечений элементов системы электроснабжения по нагреву максимальная нагрузка Ртах необходима для определения потерь и отклонений напряжения, максимальных потерь мощности и энергии в сетях; выбора элементов электрических сетей по экономической плотности тока; определения тока трогания релейной защиты; выбора плавких предохранителей и уставок выключателей; проверки самозапуска электродвигателей, колебаний напряжения в сетях и в других случаях, когда необходимо рассчитать элементы электрической сети или их режимы, опираясь на законы Максвелла. Для простоты далее будем рассматривать идеальный случай, когда расчетная (проектная или иная) максимальная нагрузка совпадает с фактической максимальной, замеренной какимлибо способом, и равна максимальной заявленной (договорной) на уровне предприятия: Рр = Ртах = Рф = Рз(mах).
Заявленный максимум не передается по конкретному проводу, не трансформируется одним трансформатором, не отключается одним выключателем: физически нет тока, соответствующего расчетной мощности Рр и определяемого по формуле (2.8). Положение усложняется (рис. 2.7), если учитывать: максимальную электрическую нагрузку в часы утреннего и вечернего максимумов нагрузки; ночной максимум; максимальную нагрузку, превышающую заявленную и лимит, которая может быть разрешена, если есть резерв у субъектов электроэнергетики; максимальную нагрузку, соответствущую проектной технологической производительности; максимальную нагрузку, согласованную с энергоснабжающей организацией для подключения; перспективную максимальную проектную нагрузку; максимальную нагрузку при осуществлении регулирования режима электропотребления (управление потребителямирегуляторами) и др.
Таким образом, при решении вопросов электроснабжения определяющей величиной является расчетная электрическая нагрузка, которая принимается равной получасовому максимуму Ртах. Этот максимум может находиться по данным конкретных электроприемников и применяться для расчетов электрических сетей и их элементов (опираясь на теоретические основы электротехники). Но он может также рассчитываться с учетом системных свойств предприятия, устойчивости развития и ценологической устойчивости структуры. Такой Ртах нужен при выборе на перспективу схем электроснабжения предприятий, производств и цехов, определении их объемов электропотребления, решении вопросов технологического и технического присоединения к подстанциям и сетям энергоснабжающей организации, определении основных групп электрооборудования, инновационных вложений, штатов.
Рост числа элементов по уровням сверху вниз приводит к тому, что расчеты, которые жестко определяют каждый элемент системы электроснабжения, возможны лишь при многих допущениях для 6УР и 5УР. Для более низких уровней системы электроснабжения возможны лишь локальные расчеты (для данной секции РП, цеховой ТП, распределительного шкафа).
Как физическая величина электрическая нагрузка есть электрическая мощность Р = U*I. Если электрическая энергия А – совершая работу, расходуется равномерно в течение времени то Р = A/t. Изменение электрических нагрузок во времени представляют таблицами (временными рядами), указанием нагрузок для характерных режимов, например периодов расплавления, окисления и рафинирования дуговой сталеплавильной печи, или определенного временного интервала (получаса, часа, смены, суток, недели, месяца, года).
Графики электрических нагрузок
- индивидуальные — графики электрических приемников;
- фупповые — слагаемые из индивидуальных графиков с учетом взаимозависимости нагрузок по условиям технологии. Групповые графики могут применяться при выборе оборудования и проводников, питающих группы электроприемников (главным образом для 2УР);
- потребителей в целом, питающихся от 6УР—4УР, для которых учет всего многообразия индивидуальных графиков практически счетного (практически бесконечного) множества электроприемников делает невозможным применение прямых методов расчета (даже при наличии всех графиков к моменту принятия технического решения).
Для графиков важен интервал осреднения Д, сумма которых определяет 30-минутный интервал, принимаемый за расчетное время. Для индивидуальных графиков At должно соответствовать физике изучаемого процесса. Например, для рельефных сварочных машин должно быть малым из-за резкопеременного режима работы, отображаемого графиком нагрузки, когда время импульса сварки t = 0,04…0,12 с; время паузы между импульсами t2 = 0,02…0,20 с; число последовательных импульсов — 2… 10.
Регистрация ординат графиков нагрузки группы электроприемников, подключенных к какомулибо коммутационному аппарату 2УР, и графиков потребителей 6УР—4УР существующими регистрирующими приборами может осуществляться с любым интервалом осреднения. При измерении на одном электрическом присоединении с интервалом At = 3 мин общее число регистрируемых точек за сутки составит 24 • 60:3 = 480; всего за год — 175 200. Такое количество измерений затрудняет использование графика на большом временном интервале и для большого числа присоединений. Кроме технических трудностей съема информации, суммирования результатов, регистрации и обработки существуют и экономические ограничения.
Если индивидуальные графики нагрузки электроприемников известны и возникает необходимость аналитического формирования групповых графиков нагрузки, то применимы автокорреляционная функция индивидуального графика нагрузки рассматриваемого, как реализация стационарного случайного процесса.
Чтобы получить достаточно снять показания счетчика электроэнергии, пересчитать их в киловаттчасы и разделить на 0,5 ч. Отклонение от Рмах учитывается счетчиком, определяющим среднюю нагрузку Рср за интервал. Суммирование, проводимое счетчиком за 30 мин, упрощает допущения о значении и вероятности изменения нагрузки за Д.
Из рис. 2.4 очевидно, что величина Р зависит от начала отсчета. Технически возможно рассчитывать Рмах за 30 минутный интервал, начинающийся с любого момента. Возникает вопрос о цели таких измерений и их экономической целесообразности, которая оправдывается при регулировании электропотребления предприятий и создании систем управления электрическими нагрузками. Пока, как правило, измерение производится в фиксированное время, совпадающее с началом часа. Усредненные по формуле максимумы фиксируются, образуя суточный график (рис. 2.7), состоящий из 48 точек.
На суточном графике выделяют утренний и вечерний (обычно больший) максимумы и ночной провал, когда нагрузка понижается до минимума. Часы прохождения утреннего и вечернего максимумов задаются энергоснабжающей организацией.
Наибольший из максимумов принимается за суточный максимум (при регулировании максимум может не совпадать с этими значениями) и наносится на годовой (месячный, квартальный) график нагрузки. Наибольший из суточных максимумов в течение квартала должен приниматься за заявленный максимум и оплачиваться. В этом случае фактический расчетный и заявленный максимумы будут совпадать. Аналогично определяется среднесуточная мощность.
Максимальная электрическая нагрузка
Графики наглядно характеризуют электрическую нагрузку (и многие другие стороны работы предприятия, например ритмичность, использование оборудования по сменам). Но в инженерной практике оперировать с графиками неудобно (а сейчас на начальных стадиях проектирования они отсутствуют вообще, в отличие от проектных заданий 1930— 1940х гг.), когда, не предполагая ценологических ограничений, стремились сделать заводы одинаковыми, будто это два электродвигателя. Поэтому при расчетах электрических нагрузок, согласовании технических условий на электроснабжение предприятий, лимитировании и управлении электропотреблением оперируют показателями, применение которых является достаточным практически для всех расчетов.
Поэтому, говоря в электроснабжении предприятия (об объекте потребителя) о мощности Рр, Рмах, Рф, всегда явно или неявно предполагается, что присутствует время и как интервал, и как точка на текущем времени Ньютона.
Так что определение Рр есть конвенционное соглашение 1930— 1950х гг. (хотя так и не называемое) об интервале Д/, привязки этого интервала к протяженности суток … года. Это утверждение нашло отражение в замерах в характерный летний и зимний дни, когда предприятия по требованию энергоснабжающей организации предоставляют фактические замеры своего Ртах в течение суток с 30минутным интервалом.
Таким образом, для действующих предприятий на высших уровнях системы электроснабжения 6УР, 5УР, 4УР всегда имеется достоверная величина — расход электроэнергии за отчетный период: смену, сутки, неделю, месяц, квартал, год. Годовая отчетность для 6УР есть государственная статистическая отчетность; отчетность для 5УР (частично и для 4УР) — ведомственная, которая может быть положена в основу отраслевых информационных банков по удельным и общим расходам электроэнергии.
Используем наиболее известную и достоверную величину Л. Если площадь А = const и А = Р^Т, где Т — число часов в сутках, в году (Тт = 8 760 ч), то при работе предприятий с нагрузкой, равной Рмак это же количество электроэнергии А было бы израсходовано за число часов Tmаx, называемое числом часов использования максимума или продолжительностью использования максимальной нагрузки.
Из всех интервалов, усредненных на At = 30 мин, нагрузка с 21 ч до 21 ч 30 мин является максимальной.
Именно эта нагрузка, являясь средней за некоторый интервал времени, иллюстрирует положение, согласно которому максимальная нагрузка Ртах, принимаемая при расчете, есть максимальная из средних нагрузок. Это положение распространяется на любой интервал, в том числе на квартал, год. Развитие вычислительной техники и потребности в регулировании электропотребления требуют уменьшения временного интервала (в идеале — ежесуточная заявка Ртах реализован переход на заявку Ртах по месяцам и неделям).
Назовем установленной мощностью электроприемника Ру его номинальную мощность, указанную изготовителем электротехнического устройства (паспортная мощность, указанная в документации). Установленным назовем любой электроприемник, подключенный к электрической сети, работающий или неработающий, но могущий быть включенным или отключенным в любое время по технологическим требованиям, условиям безопасности, ремонтным соображениям.
Установленная мощность для любого присоединения и на любом уровне системы электроснабжения равна сумме установленных (номинальных) мощностей без какихлибо поправочных коэффициентов. В случае, например, установки трех насосов водоотлива с электроприводом (таких, что в нормальном режиме один обеспечивает удаление воды, второй включается взамен или аварийно, третий должен быть в состоянии готовности к периоду интенсивного поступления воды; все три насоса могут быть в любом из трех состояний).
При этом исключается неопределенность, которая вносилась исключением из формулы (2.18) всех заведомо резервных потребителей, простаивавших в дни производства записи (замера нагрузки) по причинам, не свойственным условиям нормальной эксплуатации.
В расчетах часто используется номинальная (паспортная) мощность электродвигателя Рном — мощность, развиваемая на валу при номинальном напряжении. Это значит, что на зажимах электродвигателя и далее на 2УР и выше потребуется большая мощность, определяемая КПД электродвигателя и потерями в сети, которые изменяются при изменении загрузки электродвигателя и напряжения. Однако несмотря на вносимую погрешность в расчетах используют паспортные данные электроприемников (РноЫ9 /ном, coscp).
Определим коэффициент использования по активной мощности как отношение средней мощности к установленной.
В различных теоретических расчетах используют годовой коэффициент энергоиспользования АГПЭИ, принимая среднегодовую нагрузку Рсг = Аг/Тп где Тп — годовое число работы предприятия, заимствованное электриками в 1950—1960е гг. у экономистов. Со временем Тп трансформировалось в число часов использования максимума, которое для силовых нагрузок цехов и предприятий составляет: одна смена — 1 500…2000 ч/год; две смены — 2 500… 4000 ч/год; три смены — 4 500…6000 ч/год; непрерывная работа — 6500…8000 ч/год. Естественно, что ценологические пределы существенно отличаются. Понятнее для технологического менеджмента использовать коэффициент электроиспользования Ктъп и, физический смысл которого заключается в следующем: сколько часов в сутки, неделю, месяц, квартал, год работало предприятие (объект 2УР— 5УР), если работало бы с нагрузкой неизменной и равной Лпах.
