Лекция 7. Потери мощности в элементах сетей

Содержание лекции:

- рассмотрение потерь мощности в элементах сетей.

Цель лекции:

- исследование потребления активной и реактивной мощностей.

Все без исключения электроприемники переменного тока являются потребителями и реактивной мощности (РМ). Потребителями РМ являются приемники электроэнергии, которые по принципу своего действия используют переменное магнитное поле: асинхронные двигатели, индукционные печи, сварочные трансформаторы, выпрямители и т.п., а также звенья электрической сети – трансформаторы, линии электропередачи, реакторы и другое оборудование.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60-65% общего ее потребления), трансформаторы (20-25%), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10%). В зависимости от характера оборудования коэффициент реактивной мощности может достигать 1,3-1,5.

Потребление активной (АМ) и реактивной мощности всегда сопровождается потерями. В масштабе электрической системы потерями считаются АМ и РМ, расходуемые в элементах и электрооборудовании электрической сети (в воздушных и кабельных линиях, силовых трансформаторах, реакторах и в другом оборудовании понижающих подстанций).

Заметим существенную разницу в соотношении потребления и потерь АМ и РМ. Основная часть АМ потребляется электроприемниками и лишь незначительная (около 10%) теряется в элементах сети. РМ в элементах сети и электрооборудовании обычно соизмерима по величине с активной мощностью, потребляемой электроприемниками.

АМ вырабатывается только генераторами электростанций. РМ вырабатывается генераторами электростанций (синхронными двигателями станций в режиме перевозбуждения), а также дополнительными источниками: емкостью воздушных и кабельных линий, синхронными компенсаторами, батареями конденсаторов.

Передача РМ от генераторов электростанций по электрической сети к потребителям вызывает в сети затраты АМ в виде потерь и дополнительно загружает элементы электрической сети, снижая их общую пропускную способность. Поэтому, как правило, увеличение выдачи РМ генераторами станций с целью доставки ее потребителям нецелесообразно, а наибольший экономический эффект достигается при размещении компенсирующих устройств вблизи потребляющих РМ электроприемников.

При разработке балансов мощностей в электрической сети должен составляться баланс АМ и РМ сети, чтобы их потребление, включая потери в сети, было обеспечено генерацией АМ и РМ на электростанциях системы, передачей из соседних энергосистем и другими источниками РМ. При этом должен быть обеспечен резерв на случай работы в условиях послеаварийного или ремонтного режимов.

При оценке потребляемой РМ применяется коэффициент мощности :

, (1)

где P, S – соответственно величины активной и полной мощности.

Коэффициент мощности является недостаточной характеристикой потребляемой реактивной мощности, так как при значениях , близких к единице, потребляемая РМ еще достаточно велика.

Так, например, при высоком значении потребляемая нагрузкой РМ составляет 33% потребляемой АМ (см. Таблица 1). При величина потребляемой РМ практически равна величине АМ.

Таблица1-Значение РМ в зависимости от (в процентах активной мощности)

	1,00	0,99	0,97	0,95	0,94	0,92	0,9	0,87	0,85	0,8	0,7	0,5	0,316
		0,14	0,25	0,33	0,36	0,43	0,484	0,55	0,6	0,75	1,02	1,73	3,016
Q,%							48,4						301,6

Наиболее удачным показателем, характеризующим величину потребления РМ, является коэффициент РМ :

, (2)

где Q, P – соответственно величины РМ и АМ.

Передача РМ к потребителю и ее потребление в сети приводят к дополнительным потерям АМ в распределительных электрических сетях. В таблице 2 приведен пример расчета полезной АМ у потребителя при передаче по сети неизменной АМ (Р = 100%) при различных и условии, что при передаче этого количества мощности потери АМ в сети при равны DР = 10%. Потери АМ в электрической сети:

, (3)

где P, Q, U – соответственно АМ, РМ и напряжение в сети;

R – эквивалентное активное сопротивление сети;

– коэффициент РМ в сети;

– коэффициент мощности в сети.

Таблица 2- Значение активных потерь в сети при различных и неизменной АМ, передаваемой по сети

		Мощность, Р, %	Активные потери, ∆Р, %	Полезная активная мощность у потребителя в % от Р
Реактивная, Q	Полная, S
0,9	0,484	48,4	111,1	12,3	87,7
0,8	0,75			15,6	84,4
0,7	1,02		142,9	20,4	79,6
0,5	1,732	173,2
0,316	3,016	301,6	316,5	-100

Из выражения (2) следует, что при неизменных параметрах передаваемой мощности (Р), напряжении (U) и сопротивлении сети (R) величина потерь АМ в сети обратно пропорциональна квадрату коэффициента мощности передаваемой нагрузки, или

(3)

Используя эту зависимость, в таблице 2 определены значения активных потерь в сети при различных и неизменной АМ, передаваемой по сети.

Из расчетов таблицы 2 видно, что потери АМ в электрической сети быстро растут с понижением . При они достигают 40%, а при вся АМ, передаваемая по сети, расходуется на потери в ней. При этом величина РМ почти в 3 раза превышает АМ.

Так же возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения.

Относительное значение потерь напряжения в трехфазной сети определяется в основном реактивной мощностью и мощностью Sк в рассматриваемой точке сети.

Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т. п.

Ток в проводке IB, номинальный ток защитного компонента In.

При автоматизированном проектировании сначала проектировщик на основании оборудования, известного для данной точки потребления (объекта, помещения, цеха, предприятия), должен определить самый большой ток в проводке, который необходимо подвести в эту точку для обеспечения нормальной предполагаемой работы электрического оборудования. Однако, речь не идет о простой сумме номинальных токов всего оборудования, а о максимальном токе, необходимом для питания всего оборудования, которое согласно предположениям может работать одновременно, и это не с максимальной, а, как правило, с используемой мощностью. При питании оборудования того же характера сумма номинальных токов умножается на коэффициент одновременности и коэффициент использования (коэффициент одновременности - это соотношение между количеством работающего оборудования и общим количеством оборудования; коэффициент использования выражает, на сколько процентов оборудования используется).

Коэффициент использования учитывается всегда, коэффициент одновременности учитывается в радиальных сетях. Кроме этого программа позволяет так же и возможность отключать отдельные нагрузки. Этим она позволяет моделировать реальные состояния при эксплуатации электрического оборудования и учитывать главным образом больших потребителей.

Здесь необходимо предупредить об определенных препятствиях при оценке используемой (реальной) и установленной мощности, необходимо действовать очень расчетливо. Например, если пользователь введет токи всех питаемых электроприемников, то будем производить расчеты с суммой этих токов. Этот подход, однако, неправильный. Если бы кто-нибудь задал один штепсельный вывод как один электроприемник, то у него на одну цепь штепсельных розеток с десятью штепсельными розетками получится расчетный ток IB = 10×16 = 160 A, что, конечно, неправильно. В реальном случае, значит, мы должны вложить вышеуказанные ограничения уже в свое задание.

На основании информации об электроприемниках проектировщик получит самый большой ток в проводке, который называется расчетный ток IB. Согласно этому току проектировщик выберет номинальный ток защитного компонента In. Указанное условие вытекает из требования того, чтобы защитный компонент не отключался при нормальном функционировании оборудования.

В этот момент проектировщик не будет слишком задумываться над другими характеристиками защитного компонента. Он определит только его номинальный размер. Он сегодня для автоматических выключателей и плавких предохранителей одинаковый, и его можно выбирать из ряда 2; 4; 6; 10; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 225; 250; 315; 400; 630 A и т. д. (отличаются только номинальные значения 12 A, или же еще 35 A для плавких предохранителей и 13 A для автоматических выключателей).