Лекция № 5
ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСЧЁТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК
План:
5.1. Расчётные электрические нагрузки.
5.2. Классификация методов расчёта электрических нагрузок.
5.3. Определение расчётной электрической нагрузки по установленной
мощности и коэффициенту спроса (метод коэффициента спроса).
5.4. Определение расчётной электрической нагрузки по средней
мощности и среднеквадратичному отклонению (статистический
метод).
5.5. Определение расчётной электрической нагрузки по средней
мощности и коэффициенту формы.
5.6. Определение расчётной электрической нагрузки по средней
мощности и коэффициенту максимума (метод упорядоченных
диаграмм или коэффициента максимума).
5.1. Расчётные электрические нагрузки
Создание каждого промышленного объекта начинается с его проектирования. Не простое суммирование установленных (номинальных) мощностей ЭП предприятия, а определение ожидаемых (расчетных) значений электрических нагрузок является первым и основополагающим этапом проектирования СЭС. Расчетная максимальная мощность, потребляемая электроприемниками предприятия, всегда меньше суммы номинальных мощностей этих ЭП. Необходимость определения ожидаемых (расчетных) нагрузок промышленных предприятий по рекомендуемым ниже методам вызвана неполной загрузкой некоторых ЭП, неодновременностыо их работы, вероятностным случайным характером включения и отключения ЭП, зависящим от особеностей технологического процесса и организационно-технических мероприятий по обеспечению надлежащих условий труда рабочих и служащих данного производства. Правильное определение ожидаемых электрических нагрузок и обеспечение необходимой степени бесперебойности их питания имеют большое народнохозяйственное значение. От этого расчета зависят исходные данные для выбора всех элементов СЭС промышленного предприятия и денежные затраты при установке, монтаже и эксплуатации выбранного электрооборудования. Завышение ожидаемых нагрузок приводит к удорожанию строительства, перерасходу проводникового материала сетей и неоправданному увеличению мощности трансформаторов и прочего электрооборудования. Занижение может привести к уменьшению пропускной способности электрической сети, к лишним потерям мощ ности, перегреву проводов, кабелей и
трансформаторов, а, следовательно, к сокращению срока их службы.
Существующие ныне методы определения расчетных нагрузок проектируемых предприятий основаны на обработке экспериментальных и практических данных об электрических нагрузках действующих промышленных предприятий различных отраслей промышленности.
Нагрузкой электрического двигателя (по ГОСТ 183— 74) называется мощность на его валу, которую он развивает в данный момент времени. Тепловое действие тока нагрузки характеризуется максимальной температурой нагрева электроустановки, которая не должна превышать допустимую температуру для принятого класса изоляции.
Расчетной нагрузкой по допускаемому нагреву является такая неизменная во времени 30-минутная нагрузка, которая вызывает такой же нагрев проводников сети или тепловой износ изоляции, как и реальная переменная во времени нагрузка.
Прежде чем приступить к изучению методов расчета ожидаемых электрических нагрузок, рассмотрим характерную схему электроснабжения промышленного предприятия, представленную на рис. 5.1. Здесь ОРШ — опорный распределительный шкаф, РУНН—распредустройство низкого напряжения. В СЭС промышленных предприятий существует несколько характерных мест (узлов) определения расчетных (ожидаемых) электрических нагрузок.
1. Нагрузка 1, создаваемая одним ЭП напряжением до 1 кВ, присоединяемым к распределительному шкафу РШ, распределительному шинопроводу ШРА, к магистральному шинопроводу ШМА или к шинам щита низшего напряжения трансформаторной подстанции ТП. Определение этой нагрузки необходимо для выбора сечения провода или кабеля, отходящего к данному ЭП, и аппарата, при помощи которого производится присоединение ЭП к сети.
Нагрузки 1 на ответвлении к отдельным ЭП, определяются по номинальной (установленной) мощности этих ЭП. В некоторых случаях целесообразно к одному ответвлению присоединить три-четыре ЭП небольшой (до 3 кВт) мощности. Такое соединение называется цепочкой (рис. 5.2). Рекомендуется в цепочку соединять одинаковые или близкие по установленной мощности ЭП.
Нагрузка такого ответвления определяется суммой номинальных мощностей:
Ток нагрузки /, равный /ном, А, определяется для большинства трехфазных ЭП по общей формуле:
(5.1)
где pНОМ—номинальная активная мощность электроприемника, кВт;
Uном — номинальное линейное напряжение сети, кВ;
cosjНОМ—номинальный коэффициент мощности нагрузки;
hНОМ—номинальный КПД.
Следует отметить, что Рном, hНОМ и cosjНОМ должны быть приняты по каталогу (паспорту) ЭП.
Для многодвигательного электропривода номинальный ток, А, принимается с учетом cosφ и η наиболее мощного ЭП такого привода
(5.2)
Рис. 5.1. Схема характерных мест определения расчетных нагрузок в системе электроснабжения промышленных предприятии:
а — радиальная схема; б — магистральная схема
где σРηομ — сумма номинальных мощностей ЭП многодвигательного привода, кВт.
Номинальный ток трехфазной электропечи, А,
Рис 5.2. Схема соединения трех ЭП небольшой мощности цепочкой
(5.3)
Номинальный ток трехфазной выпрямительной установки, А,
(5.4)
Номинальный ток трансформаторов также определяется по (5.4).
Для однофазных ЭП силовой сети, подключенных аналогично нагрузке 1 (рис. 5.1) на фазное напряжение,
(5.5)
где Рф—активная мощность однофазного электроприемника, кВт;
Uном.ф — номинальное фазное напряжение сети, кВ, например 0,22 кВ в трехфазной сети 038/0,22 кВ и 0,38 кВ в трехфазной сети 0,66/ 0,38 кВ.
Для сетей постоянного тока и однофазного тока с активной нагрузкой, какими являются сети одного или группы осветительных ЭП с лампами накаливания (соsj=1), (5.5) приобретает вид:
(5.6)
где Рф.о — активная мощность одного или группы осветительных ЭП, присоединенных на фазное напряжение, кВт.
Ток нагрузки, А, трехфазной осветительной сети с лампами накаливания
(5.7)
где Ро—суммарная активная трехфазная мощность нагрузки осветительной сети, все ЭП которой присоединяются на фазное напряжение, кВт.
2. Для последующих узлов (ступеней) схемы электроснабжения (узлы 2, 3 на рис. 5.1), в которых к одной линии электрической сети присоединяются группы ЭП, расчетную (ожидаемую) нагрузку следует находить по нижеприведенным методам.
Определение максимальной расчетной нагрузки Рр в узлах 2, 3 (рис. 5.1), создаваемой группой ЭП напряжением до 1 кВ, необходимо для выбора сечения питающей линии или распределительной магистрали, от которой получает питание данная группа ЭП, а также для выбора аппаратов присоединения и защиты данной группы ЭП.
3. Определение нагрузки 4, создаваемой отдельными ЭП напряжением 6—10 кВ, производится аналогично п. 1. Расчет нагрузки 4 необходим для выбора сечения питающих проводников и аппаратов присоединения и защиты отдельных ЭП 6—10кВ.
4. Определение общей расчетной нагрузки в узлах присоединения 5—8 (рис. 5.1) необходимо для выбора сечения проводников сети высокого напряжения, для выбора числа и мощности понижающих трансформаторов, уста-навливаемых в цеховых ТП и на ГПП предприятия, а также аппаратов распределительных устройств высокого напряжения на РП и ГПП. Расчет нагрузок в узлах сети 5-8 рассматривается с некоторыми упрощениями по сравнению с расчетом в узлах 2, 3, о которых будет сказано ниже.
Рассмотрим основные методы определения расчетных электрических нагрузок, применяемые при проектировании. В настоящее время почти все технологические агрегаты и механизмы промышленных предприятий (за исключением некоторых сантехнических установок) поставляются комплектно с необходимым электрооборудованием и пускозащитной аппаратурой. Приступая к проектированию СЭС предприятия, необходимо иметь в наличии планы цехов в масштабе 1:100 или 1:200 с расстановкой технологического и сантехнического оборудования, перечень оборудования с указанием номинальной мощности отдельных ЭП. Электрические сети и ответвления к отдельным ЭП изображают на этом же плане в виде однолинейной схемы с соблюдением трасс фактической прокладки.
При определении расчетных электрических нагрузок можно пользоваться основными методами: упорядоченных диаграмм (метод коэффициента максимума); удельного потребления электроэнергии на единицу продукции; коэф-фициента спроса; удельной плотности электрической нагрузки на 1 м2 производственной площади.
В настоящее время основным методом расчета электрических нагрузок промышленных предприятий является метод упорядоченных диаграмм, рекомендованный в «Руководящих указаниях по определению электрических нагрузок промышленных предприятий». Метод применим в тех случаях, когда известны номинальные данные всех ЭП предприятия и их размещение на плане цехов и на территории предприятия. Метод позволяет по номинальной мощности
ЭП с учетом их числа и характеристик определить расчетную нагрузку любого узла схемы электроснабжения.
5.2. Классификация методов расчёта электрических нагрузок
В практике проектирования СЭС применяют различные методы определения электрических нагрузок, которые подразделяют на основные и вспомогательные. В первую очередь входят методы расчёта:
1) по установленной мощности и коэффициенту спроса (РН, КС);
2) по средней мощности РСР и отклонению расчётной нагрузки от средней (среднеквадратичному отклонению);
3) по средней мощности QСР и коэффициенту максимума КМ (метод упорядоченных диаграмм);
4) средней мощности РСР и коэффициенту формы графика нагрузок КФ.
Вторая группа включает в себя следующие методы расчёта:
1) по удельному расходу электроэнергии ЭУД на единицу продукции при заданном объёме выпуска продукции за определённый период времени;
2) по удельной мощности РУД на единицу производственной площади.
Применение того или иного метода определяется допустимой погрешностью расчётов. При проведении укрупнённых расчётов (в частности на стадии проектного задания) пользуются методами, базирующимися на данных о суммарной установленной мощности отдельных групп ЭП – отделения, цеха, корпуса. Методы, основанные на использовании данных о единичных ЭП, относят к наиболее точным. Рассмотрим указанные методы расчёта электрических нагрузок и установим область их применения.
5.3. Определение расчётной электрической нагрузки по установленной мощности и коэффициенту спроса (метод коэффициента спроса)
Для определения расчётных нагрузок по этому методу необходимо знать установленную РНОМ мощность группы приёмников, коэффициенты мощности cosj и спроса КС данной группы, определяемые по справочным материалам.
Расчётную нагрузку однородных по режиму работы ЭП определяют по формулам:
(5.8)
(5.9)
(5.10)
где tgj соответствует характерному для данной группы ЭП cosj.
Расчётная нагрузка узла СЭ, (цеха, корпуса, предприятия) содержащего группы ЭП с различными режимами работы, определяется суммированием расчётных нагрузок отдельных групп ЭП, входящих в данный узел с учётом коэффициента разновременности максимумов нагрузки, т.е. по выражению
(5.11)
где SРР – сумма расчётных активных нагрузок отдельных групп ЭП;
SQР – сумма расчётных реактивных нагрузок отдельных групп ЭП;
kР.М – коэффициент разновремённости максимумов нагрузки отдельных групп ЭП, принимаемый в пределах 0,85-1,0 в зависимости от места нахождения данного узла в СЭ предприятия.
Значение kР.М. можно приближённо принимать равным 0,9. При этом суммарная расчётная нагрузка узла СЭ не должна быть меньше его средней нагрузки.
Определение расчётной силовой нагрузки по установленной мощности РН и КС является приближённым методом расчёта, поэтому его применение рекомендуют для предварительных расчётов и определения общезаводских нагрузок.
5.4. Определение расчётной электрической нагрузки по средней мощности
и среднеквадратичному отклонению (статистический метод)
По этому методу расчётную нагрузку группы ЭП определяют двумя интегральными показателями: средней нагрузкой РСР.Т и среднеквадратичным отклонением sСР.Т. из уравнения
(5.12)
где b - принятая кратность рассеяния, а индекс Т указывает на отношение к длительности интервала осреднения нагрузки.
Для группового графика нагрузки средняя нагрузка при достаточно большом m равна:
, (5.13)
где m – число отрезков длительностью Т=3Т0 (в течение которой нагрев рассматриваемой токоведущей части может достигнуть установившегося значения) , на которое разбит групповой график нагрузок, построенный для достаточно длительного периода времени;
Т0 – постоянная времени проводника.
Среднеквадратичное отклонение для группового графика нагрузок определяют по формуле
(5.14)
Статистический метод позволяет определять расчётную нагрузку с любой принятой вероятностью её появления. Применение этого метода целесообразно для определения нагрузок по отдельным группам и узлам приёмников электроэнергии напряжением до 1 кВ.
5.5. Определение расчётной электрической нагрузки по средней мощности и коэффициенту формы
В основе этого метода лежит равенство расчётной и среднеквадратической нагрузок. Для групп ЭП с повторно-кратковременным режимом работы принятое допущение справедливо во всех случаях. Оно приемлемо также для групп ЭП с длительным режимом работы, когда число ЭП в группе достаточно велико и отсутствуют мощные ЭП, способные изменить равномерный групповой график нагрузки.
Данный метод может применяться для определения расчётных нагрузок цеховых шинопроводов, на шинах низшего напряжения цеховых трансформаторных подстанций, на шинах РУ напряжением 10 кВ, когда значения КФ находятся в пределах 1-1,2.
Расчётную нагрузку группы ЭП определяют из выражений
; (5.15)
; (5.16)
, (5.17)
где 
Значения коэффициента kФ.А достаточно стабильны для цехов и заводов с малоизменяющейся производительностью. Поэтому при проектировании kФ принимают по экспериментальным данным, полученным для действующих предприятий с аналогичной технологией. В случае, отсутствия экспериментальных данных можно принимать kФ.А.=1,1¸1,2. При том наименьшие значения соответствуют высшим ступеням СЭ.
Средние нагрузки за наиболее загруженную смену РСР.М и QСР.М для определения расчётной нагрузки по kФ определяют любым из способов: по установленной мощности и kС; по удельному расходу электроэнергии на единицу продукции и количеству продукции, выпускаемой за смену; в условиях эксплуатации – по показаниям счётчиков активной и реактивной энергии.
5.6. Определение расчётной электрической нагрузки по средней мощности и коэффициенту максимума (метод упорядоченных диаграмм)
Метод определения расчётной нагрузки по средней мощности и коэффициенту максимума (метод упорядоченных диаграмм) в настоящее время является основным методом расчёта электрических нагрузок промышленных предприятий при разработке технических и рабочих проектов электроснабжения, рекомендованный в «Руководящих указаниях» по определению электрических нагрузок промышленных предприятий. Метод применим в тех случаях, когда известны номинальные данные всех ЭП предприятия и их размещение на плане цехов и на территории предприятия. Метод позволяет по номинальной мощности ЭВ с учётом их числа и характеристик определить расчётную нагрузку любого узла схемы электроснабжения.
По этому методу расчётную активную нагрузку ЭП на всех ступенях питающих и распределительных сетей (включая трансформаторы и преобразователи) определяют по средней мощности РСР.М и коэффициенту максимума kМ.А из выражения
. (5.18)
Значение kМ зависит от kN.A данной группы ЭП и эффективного числа ЭП nЭФ. Под эффективным числом приёмников группы различных по РНОМ и режиму работы понимают число однородных по режиму работы приёмников одинаковой мощности, которое обуславливает ту же расчётную нагрузку, что и данная рассматриваемая группа различных по РНОМ и режиму работы приёмников
(5.19)
kМ.А. модно определить по кривым или таблице в справочниках.
Расчётную реактивную нагрузку по этому методу принимают равной:
при 
£10 
(5.20)
при ³10 
(5.20)
В методе упорядоченных диаграмм принята допустимая для инженерных расчётов погрешность, равная 10%. Однако на практике применение этого метода обуславливает погрешность 20-40% и поэтому применение его требует тщательного анализа исходных данных и результатов расчёта.