9 Методы расчёта нагрузок

Расчет электрических нагрузок является исходными материалами для всего последующего проектирования.

Расчетной нагрузкой называется такая неизменная во времени нагрузка которая вызывает такой же перегрев проводников над окружающей средой или тепловой износ изоляции как и реальная переменная во времени нагрузка [1].

Нагрузкой электростанции является генерируемая ею мощность.

Электрическая нагрузка это активная (Р в Ватах), реактивная (Q и полная S мощность мощность, которую потребитель получает от сети.

Электрическую нагрузку надо знать, чтобы выбрать токопроводящие элементы. Как правило, нагрузка не постоянна во времени. Для определения нагрузок используют различные методы.

M=P*L

Моментом нагрузки называют произведение потребляемой мощности в 1 час на длине линии от источника до потребителя ___.

Различные предприятия имеют электрические нагрузки от нескольких десятков до миллиона киловатт и более.

Электрические нагрузки зависят от вида и количества выпускаемой продукции, от технологии и организации производства.

Электроприемники (электродвигатель, электропечь, светоточка, электролизная ванна, электромагнит и т. п.) объединяются в электроустановки технологией 'Производства. Технологические установки или агрегаты могут содержать большое количество отдельных электроприемников различного характера, назначения и мощности. Такие отдельные технологические установки (например, насосные и компрессорные станции, литейные, прокатные, механические и другие цехи предприятий), а также отдельные технологические агрегаты (например, мостовой многодвигательный подъемный кран, многодвигательный станок для обработки металла и т. п.) являются потребителями электроэнергии внутризаводской системы электроснабжения.

Для районной энергосистемы потребителем электроэнергии является предприятие в целом.

Технологический процесс производства непосредственно влияет на нагрузку предприятия и ее характер. Так, например, непрерывные технологические процессы в химической промышленности или процессы производства металлов путем электролиза создают в нормальном режиме спокойные и почти неизменные во времени нагрузки. Суммарные нагрузки крупных предприятий такого типа достигают 800—1000 МВт и более.

Производства, использующие в основном сравнительно мелкое оборудование, например цехи механической обработки металла с большим количеством токарных и других металлорежущих станков, также имеют сравнительно спокойный характер нагрузки в течение рабочей смены. Провалы графика нагрузок таких цехов происходят в момент окончания рабочей смены и длятся 25-30 мин; за это время быстро упавшая до мини­мума в конце смены нагрузка постепенно достигает своего предыдущего среднего значения.

Наиболее неравномерную нагрузку дают реверсивные обжимные прокатные станы в металлургической промышленности, а также крупные сталеплавильные дуговые электропечи. Неравномерная нагрузка вызывает колебания напряжения в сети.

Нагрузки промышленного предприятия в целом всегда сглаживаются за счет общезаводских постоянных или незначительно изменяющихся нагрузок.

Для расчета нагрузки используются несколько методов

Основные методы определения расчетных (ожидаемых) электрических нагрузок, применяемые в настоящее время при проектировании электроснабжения, могут быть разделены на три группы.

1. Методы, определяющие расчетную нагрузку путем умножения номинальной мощности на коэффициент, меньший единицы . К этой группе следует отнести метод определения расчетной нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса.

2. Методы, определяющие расчетную нагрузку путем умножения средней нагрузки на коэффициент, который больше единицы или равен ей .

. К этой группе относятся следующие методы определения расчетной нагрузки: по средней нагрузке и коэффициенту формы графика нагрузки; по средней нагрузке и коэффициенту максимума нагрузки (метод упорядоченных диаграмм); по средней нагрузке и среднеквадратичному отклонению (статистический метод).

3. Особую группу составляют методы определения расчетных нагрузок по удельным показателям производства, а именно: по удельному расходу электроэнергии на единицу продукции; по удельной нагрузке на единицу производственной площади.

Характерные расчетные точки. В системе электроснабжения существует несколько характерных точек, в которых необходимо определять расчетные электрические нагрузки. Расчет нагрузок ведется последовательно от низших к высшим ступеням системы электроснабжения. На рис.1. представлен фрагмент системы электроснабжения промышленного предприятия с указанием в кружках наиболее характерных узлов.

1. Отдельные ЭП напряжением до 1000 В. Определение расчетной нагрузки необходимо для выбора сечения провода или кабеля, питающего данный ЭП, и аппарата их присоединения к низковольтному распределительному пункту (РП) или питающей линии.

2. Группа ЭП напряжением до 1000 В, Нахождение расчетной нагрузки необходимо для выбора сечения радиальной линии или распределительной магистрали, питающей данную группу приемников, и аппарата их присоединения к главному распределительному пункту напряжением до 1000 В.

3. Линии, подключенные к секциям шин напряжением до 1000 В цеховой трансформаторной подстанции (ТП), по которым питаются отдельные крупные приемники электроэнергии, распределительные пункты, магистрали. Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения отходящих линий и коммутационных аппаратов.

4. Секции шин напряжением до 1000 В цеховой ТП или главная магистраль блока трансформатор-магистраль.

Нахождение данной нагрузки необходимо для выбора числа и мощности цеховых трансформаторов, сечения и материала шин цеховой ТП или главной магистрали и отключающих аппаратов, устанавливаемых на стороне низшего напряжения цеховых трансформаторов,

5. Линии, подключенные к распределительному пункту (РП) напряжением 6, 10 кВ, по которым питаются цеховые ТП, высоковольтные ЭП (двигатели, печи и т.д.). Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения линий, питающих цеховые ТП и высоковольтные ЭП, а также отключающих аппаратов.

Рисунок 1.Фрагмент системы электроснабжения промышленного предприятия

6. Секции шин распределительного пункта напряжением 6, 10 кВ. Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения и материала шин РП, сечения линии, питающих каждую из секций РП и выключателей со стороны шин главной понизительной подстанции (ГПП).

7. Секции шин главной понизительной подстанции напряжением 6, 10 кВ. Определение данной нагрузки необходимо для выбора числа и мощности трансформаторов, устанавливаемых на ГПП, выбора сечения и материала

шин и выключателей, устанавливаемых на стороне низшего напряжения ГПП.

8. Линии высшего напряжения 35 ÷220 кВ ГПП. Определение данной нагрузки необходимо для выбора сечения линий, питающих трансформаторы ГПП, и аппаратов присоединения трансформаторов и питающих их линий к источникам питания.

Определение расчетной нагрузки по методу упорядоченных диаграмм

Основные положения и допущения. В методе используется следующие положения.

1. Для любого заданного графика нагрузки могут быть найдены два значения расчетной нагрузки: по пику температуры нагрева и тепловому износу изоляции . В методе принят первый критерий, поскольку установление расчетной нагрузки по тепловому износу изоляции требует конкретных исследований свойств изоляции различных марок проводов и кабелей.

2. В основу определения расчетной нагрузки положен принцип максимума средней нагрузки. В качестве расчетной нагрузки принимается максимальная средняя нагрузка за интервал времени .

3. За интервал осреднения принято время − время нагрева проводника. При этом с целью унификации расчетов данный интервал принят одинаковым для выбора как сечений проводов и кабелей, так и для трансформаторов. Несмотря на явное несоответствие этого интервала осреднения режиму нагрева проводников больших сечений и особенно трансформаторов, такой принцип расчета прост и дает достаточно хорошие результаты.

Расчетная активная нагрузка группы приемников с переменным графиком нагрузки на всех ступенях питающих и распределительных сетей определяется по максимальной средней нагрузке и коэффициенту максимума:

(1)

где − расчетная активная нагрузка группы ЭП при длительности интервала осреднения , или так называемом получасовом максимуме нагрузки; − коэффициент максимума активной нагрузки при длительности интервала осреднения 30 мин, определяемый по кривым Кма=f(nэ,Kиа) (см. рис. 2) или справочным таблицам (см.табл.1);

Рсм −максимальная средняя активная нагрузка группы приемников за наиболее загруженную смену; Киа −коэффициент использования активной мощности для наиболее загруженной смены; Рном − номинальная мощность

группы ЭП.

Если выбираемый по нагреву проводник имеет постоянную времени Т0, значительно превышающую 10 мин, то расчетная нагрузка, определяемая по 30-минутному интервалу осреднения, должна быть пересчитана на другой временной интервал, большей длительности по формуле:

(2)

Рисунок 2. Кривые коэффициентов максимума Кма для различных

коэффициентов использования Киа в зависимости от nэ

Здесь Ррт и Кмат− расчетная нагрузка и коэффициент максимума при длительности интервала осреднения Тоср > 30 мин. Коэффициент Кмат определяется по формуле (3)

Эффективное число электроприемников nэ находится по формуле

(4)

Значения Киа как для отдельных ЭП, так и характерных групп принимаются по справочным данным. В тех случаях, когда найденное nэ, оказывается больше п, его значение принимается равным п. При Киа <0.2 эффективное число ЭП определяется по табл. 2. Порядок определения пэ следующий: выбирается наибольший по номинальной мощности ЭП рассматриваемого узла; выбираются наиболее крупные ЭП, номинальная мощность каждого из которых равна половине мощности наибольшего ЭП или больше ее; подсчитывается их число п1 и их мощность Рном1, а также суммарная номинальная мощность всех рабочих ЭП рассматриваемого узла РНОМ; находятся относительные значения эффективного числа и мощности крупных электроприемников , ; по полученным значениям n1* и Р1* по табл.2 определяется относительная величина эффективного числа ЭП nэ*, а затем находится nэ = nэ*n.

Расчетная реактивная нагрузка группы ЭП с переменным графиком нагрузки принимается:

Qр = 1,1Qсм = 1,1KиаРном tgϕном, при nэ ≤ 10;

Qр = Qсм = KиаРном tgϕном, при nэ > 10,

где Qсм − максимальная средняя реактивная нагрузка группы приемников за наиболее загруженную смену; tgϕном −номинальный коэффициент мощности.

Полная расчетная нагрузка

Определение расчетной нагрузки по формулам (1) и (2) возможно только при приведенном числе ЭП nэ ≥4, так как кривые Кма = f(nэ, Киа) определены только с nэ = 4. При эффективном числе ЭП пэ <4 рекомендуются следующий упрощенный способ определения расчетной нагрузки. Расчетная нагрузка группы, содержащей три ЭП и менее (nэ ≤ 3), принимается равной сумме их номинальных мощностей, т.е.

и

Здесь п − число фактических ЭП в группе (до трех); tgϕном −номинальный коэффициент мощности i-го приемника.

Таким образом, для ответвлений от распределительных шкафов или магистралей к отдельным ЭП единственным параметром для расчета их по нагреву является номинальная мощность электроприемника. При числе фактических ЭП больше трех (п > 3), но при эффективном их числе меньше четырех максимальная нагрузка может быть принята как для группы приемников электроэнергии с nэ равным четырем, но не менее суммы номинальных мощностей трех наибольших ЭП.

Расчетная нагрузка для электроприемников с маломеняющимся графиком. Для групп ЭП длительного режима работы с практически постоянным графиком нагрузки ( Киа ≥ 0,6; Кв ≈ 1 и коэффициент заполнения графика нагрузки за наиболее загруженную смену Кзга ≥ 0,9) коэффициент максимума Кма может быть принят равным единице, а расчетная нагрузка группы таких

ЭП − равной максимальной средней за наиболее загруженную смену, т.е.

Pp = Кма Киа Рном = Ки Рном ; ; Pp = Рсм . Qp = Qсм

Определение расчетной нагрузки рассмотренными упрощенными способами приводит, как правило, к завышенному результату и допускается только для небольшой группы ЭП. Расчетная реактивная нагрузка от синхронных двигателей принимается равной максимальной средней за наиболее загруженную смену, а от статических конденсаторов номинальной мощности с пересчетом последней на фактическое напряжение сети.

Определение пиковых нагрузок. Пиковыми называются максимальные нагрузки длительностью 1÷2 с. Величина пикового тока используется при расчете колебаний напряжения, выборе уставок защит, для проверки на самозапуск двигателей. Пиковый ток группы электродвигателей с длительным режимом работы определяется как арифметическая сумма наибольшего из пусковых токов двигателей, входящих в группу, и расчетного (среднего) тока нагрузки всей группы приемников за вычетом расчетного тока двигателя, имеющего наибольший пусковой ток:

.(5)

Здесь − наибольший из пусковых токов двигателей в группе; − номинальный (приведенный к ПВ=100%) ток; − коэффициент использования двигателя; Iр− расчетный ток нагрузки всех ЭП группы.

В тех случаях, когда в группе имеются достаточно мощные синхронные двигатели, а число двигателей в группе мало и их номинальные мощности резко различаются, пиковый ток может быть определен более точно:

где Рсм, Qсм − суммарные максимальные средние активная и реактивная нагрузки ЭП всей группы за наиболее загруженную смену;

kма − коэффициент максимума для группы ЭП без учета двигателя, имеющего наибольший пусковой ток; рсм, qсм − максимальные средние активная и реактивная нагрузки за наиболее загруженную смену двигателя, имеющего наибольший пусковой ток.

В качестве наибольшего пикового тока одного приемника принимаются для двигателей − пусковой ток, для печных и сварочных трансформаторов − пиковый ток по паспортным данным. При отсутствии паспортных данных

пусковой ток АД с короткозамкнутым ротором и СД может быть принят равным 5-кратному номинальному, пусковой ток двигателей постоянного тока и АД с фазным ротором – 2-2,5-кратному номинальному, пиковый ток печных и сварочных трансформаторов − не менее 3-кратного номинального.

Пиковый ток группы двигателей, которые могут включаться одновременно, необходимо принимать равным сумме пусковых токов этих двигателей.

Для ламп накаливания и печей сопротивления мощностью до 500 Вт Iпик = Iр, так как толчки при включении этих элементов кратковременны и влияния на качество электрической энергии практически не оказывают. Для более мощных ламп накаливания и ртутно-дуговых ламп кратность пикового тока достигает 12÷14, что в некоторых случаях приводит к отключению автоматов и перегоранию предохранителей.

Для дуговых сталеплавильных печей пиковые нагрузки возникают при обвалах шихты на электроды в период расплава и при эксплуатационных коротких замыканиях. Величина пикового тока достигает 3 - 3,5Iн при длительности до нескольких секунд, пока не сработает автоматика подъема электродов.

Расчет электрических нагрузок на различных ступенях системы электроснабжения. При определении расчетных нагрузок на различных ступенях системы электроснабжения промышленного предприятия (по распределительному щиту 0,4 кВ, отделению, цеху, группе цехов, предприятию в целом) используется одна и та же методика.В общем случае в узле системы электроснабжения могут быть ЭП с переменными (Киа < 0,6) и маломеняющимся (Киа ≥ 0,6) режимами работы. Первые ЭП условно относят к группе А, вторые − к группе Б.

Расчетные нагрузки узла, состоящего из ЭП групп А(т электроприемников) и Б (f электроприемников), находятся по выражениям:

, при nэ<10

, при nэ>10

где − расчетные активная, реактивная и полная нагрузки узла;

Кма − коэффициент максимума по активной мощности всех ЭП с переменным режимом работы; − максимальные средние активная и реактивная нагрузки i -го ЭП или нескольких однотипных ЭП с переменным режимом работы; − то же для ЭП с маломеняющимся режимом работы; РpA, РpB и QpA, QpB − расчетные активные и реактивные нагрузки соответственно групп А и Б.

Таблица 1 - Коэффициенты максимума Кма для различных коэффициентов

использования Киа в зависимости от пэ

Примечание. При пэ > 200 величина Кма принимается равной единице.

Таблица 2

Относительные значения аффективного числа электроприемников nэ* в зависимости от n1* и Р1*

Примечание: Для промежуточных значений рекомендуется брать ближайшие меньшие значения nэ.