Классификация графиков электрических нагрузок

Электрическая нагрузка характеризует потребление электроэнергии отдельными приёмниками, группой приёмников. При проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий основными являются три вида нагрузок: активная мощность Р, реактивная мощность Q и ток I.

Графики электрических нагрузок – это функциональные зависимости активной или реактивной мощности, либо тока от времени.

Электрическая нагрузка может наблюдаться визуально по измерительным приборам или регистрироваться через определённые интервалы времени приборами регистрации. В условиях эксплуатации изменения нагрузки по активной и реактивной мощности во времени записывают в виде ступенчатой кривой (гистограмма), снятыми через определённые интервалы времени. Кривая изменения активной, реактивной и токовой нагрузки во времени называется графиком нагрузки соответственно по активной мощности, реактивной мощности и току.

Различают следующие виды графиков:

1. По виду потребителей:

а) индивидуальные ( ) графики электрических нагрузок – для отдельных приёмников электроэнергии;

б) групповые ( ) графики электрических нагрузок – для группы приёмников электроэнергии.;

2. По продолжительности:

а) суточные;

б) годовые.

Рис. 3.1. Примеры отображения графиков нагрузки.

Записи графиков активной и реактивной мощности, а также тока, при n–ом количестве приёмников электроэнергии в группе будут:

(3.1)

Последнее приближённое равенство достоверно только при близких значениях отдельных приёмников электроэнергии.

Индивидуальные графики необходимы для определения нагрузок мощных приёмников (электрические печи, преобразовательные агрегаты главных приводов прокатных станов и т.п.). С точки зрения регулярности (характера изменения, периодичности) различают:

а) периодические, т.е. отвечающие строго ритмичному процессу работы с периодом

(3.2)

где - полное время цикла;

- время работы;

- время остановки (паузы).

Данный тип графика присущ поточному или автоматизированному производству.

б) цикличные - графики в которых нарушается периодичность из-за непостоянства длительностей пауз отдельных циклов.

в) нецикличные, присущи агрегатам выполняющие операции, которые строго не регламентированы. В таких графиках продолжительность рабочих интервалов и пауз различна.

г) нерегулярные – графики крайне нерегулярного режима работы приёмника электрической энергии. График нагрузки на рабочих участках существенно изменяется, продолжительность рабочих интервалов и пауз различна и условие стабильности потребления электроэнергии не выполняется (например, агрегаты разведочного бурения, электропривод игольчатого гидравлического затвора и т.п.).

Групповой график нагрузок слагается из индивидуальных графиков нагрузок, входящих в данную группу. Групповые графики нагрузок используются при проектировании систем электроснабжения промышленных предприятий и дают возможность: определить потребление активной и реактивной энергии предприятием, правильно выбрать источники тока, выполнить наиболее рациональную схему электроснабжения. Степень регулярности групповых графиков определяется типами индивидуальных графиков и взаимосвязями нагрузок отдельных приёмников по технологическому режиму работы. Различают два вида таких взаимосвязей:

1. между значениями нагрузки данного приёмника в различные моменты времени;

2. между значениями нагрузок двух различных приёмников в данный момент времени.

Для индивидуальных графиков нагрузок характерны следующие взаимосвязи между значениями нагрузки приёмника в различные моменты времени:

а) для периодических графиков с общим циклом связи являются жёсткими, т.к. время цикла равно периоду работы агрегата и заданное значение в момент времени однозначно определяет значение в последующий момент времени ;

б) для цикличного и нецикличного графиков нет однозначной зависимости между величинами и , однако при малых значениях эти связи сохраняются, хотя и не являются жёсткими (однозначными). Для данных графиков связи приобретают вероятностный характер, поэтому такие связи называют корреляционными.

Для групповых графиков кроме взаимосвязей между значениями нагрузки данного приёмника в различные моменты времени, учитывается взаимосвязь между значениями нагрузок различных приёмников в данный момент времени.

В зависимости от взаимосвязи между значениями нагрузок отдельных приёмников различают:

1. антифазные приёмники, включённые в сеть разновременно;

2. синфазные приёмники, включённые в сеть одновременно;

3. приёмники, включённые в сеть всегда совместно, но нагрузки, которых за время включения приёмников не имеют корреляционной связи;

4. независимые (не имеющие корреляционной связи) приёмники, которые могут включаться как совместно, так и раздельно;

5. асинфазные приёмники, могут включаться как совместно, так и раздельно, но имеют корреляционную связь (т.к. вероятность включения одного из асинфазных приёмников зависит от того, включен ли другой).

По степени регулярности, зависящей от вида индивидуальных графиков и взаимосвязи между отдельными приёмниками, групповые графики подразделяют на три типа:

1) Периодические. Отвечают строго ритмичному процессу производства при жёсткой связи приёмников в технологическом процессе. При этом длительность периода циклов всех индивидуальных графиков будет одинаковой и совпадёт с периодом группового графика .

2) Почти периодические. Данный тип графиков отвечает непоточному производству, при этом в установившемся режиме работы непериодичный график удовлетворяет условию обобщенной периодичности, т.е. стабильности расхода электроэнергии:

(3.3)

где - расход энергии за период времени ;

- удельный расход энергии на единицу продукции;

- производительность в единицах продукции за время ;

- время обобщённого цикла работы;

- начальный момент времени работы;

- число циклов длительностью за рассматриваемый период времени.

3) Нерегулярные. Имеют место в редких случаях, когда индивидуальные графики являются нерегулярными, а, следовательно, не выполняется условие стабильности расхода электроэнергии.

По продолжительности различают суточные и годовые графики нагрузок предприятия. Каждая отрасль промышленности имеет свой характерный график нагрузок, определяемый технологическим процессом производства.

Графики нагрузок предприятия не являются стабильными, а претерпевают изменения в связи с изменением технологических процессов производства, т.е. его оптимизацией (снижение удельного потребления электроэнергии на единицу продукции, повышение использования оборудования за счёт интенсификации и автоматизации производственных процессов и т.п.).

Основные определения и обозначения

Режимы работы приёмников электроэнергии разнообразны и изменяются во времени. С точки зрения электрических нагрузок потребители классифицируются по следующим признакам:

1. Режиму работы.

a) Длительный – режим, при котором электрические установки работают длительное время без превышения температуры частей сверх допустимой нормы. В длительном режиме работают электрические двигатели привода насосов, вентиляторов, а также компрессоров.

b) Кратковременный – режим, при котором температура частей электрической машина не успевает достигнуть установившегося критического значения, а за время паузы снижается до температуры окружающей среды. В таком режиме работают, например, задвижки с электрическим приводом.

c) Повторно-кратковременный – режим, при котором происходит чередование периодов работы с паузами. Цикл работы электрического привода обычно составляет менее 10 с, за это время температура частей электрической машины может достигать предельного значения, но за время паузы снижается до температуры несколько превышающую температуру окружающей среды.

2. По величине мощности и напряжения.

a) Потребители малой мощности и напряжения до 1000 В ( кВт, В).

b) Потребители большой мощности и напряжения свыше 1000 В ( кВт, кВ).

3. По роду тока.

a) Потребители переменного тока промышленной частоты ( Гц), таковыми являются: асинхронные и синхронные машины, тиристорные преобразователи и т.п.

b) Потребители переменного тока повышенной частоты ( Гц), к таким установкам относятся: электроинструмент, высокоскоростной электропривод, шлифовальные станки и т.д. В промышленности нашли также применение установки питающиеся токами высокой и сверхвысокой частоты ( кГц и кГц), к ним относятся, например, печи индуцированного нагрева.

c) Потребители постоянного тока (двигатели постоянного тока, электроизмерительные и гальванические установки, сварочные аппараты и т.п.).

4. По степени надёжности питания (категории потребителей).

Для характеристики потребляемой мощности пользуются следующими понятиями.

1. Номинальная активная мощность. Это мощность приёмника электроэнергии – это мощность, указанная в паспорте приёмника электроэнергии. Под номинальной активной мощностью электродвигателя понимается выраженная в киловаттах мощность, развиваемая двигателем на валу при номинальном напряжении, а под номинальной активной мощностью других приёмников электроэнергии – потребляемая ими из сети мощность в киловаттах при номинальном напряжении. Применительно к многодвигательным приводам, исключая крановые установки, номинальная мощность – сумма номинальных мощностей всех его электродвигателей (приведённых к продолжительности включения ПВ=100%). Для крановых установок под термином «приёмник электроэнергии» понимают электропривод каждого механизма, включая механизмы, приводимые двумя двигателями. Для приёмников повторно-кратковременного режима (ПКР) работы мощность определяют по паспортной мощности путём приведения её к длительному режиму работы (ПВ=100 %) в соответствии с выражениями:

(3.4)

(3.5)

где - активная мощность, указанная в паспорте, кВт;

- полная паспортная мощность, кВА;

- паспортная продолжительность включения в долях единицы;

- период, в течение которого приёмник подключён к сети за цикл длительностью ;

- продолжительность паузы в цикле.

Для трансформаторов электрических печей номинальная активная мощность – это некоторая условная мощность:

(3.6)

где - коэффициент мощности электропечного трансформатора при номинальной мощности электропечи.

Для трансформаторов сварочных аппаратов активная мощность – это некоторая условная мощность, приведённая к ПВ=100 %:

(3.7)

где - коэффициент мощности сварочного трансформатора, отвечающий номинальному длительному режиму работы.

Групповая номинальная активная мощность – это сумма номинальных (паспортных) активных мощностей отдельных рабочих приёмников электроэнергии, приведённых к ПВ=100 %:

(3.8)

Под номинальной реактивной мощностью приёмника электроэнергии понимают реактивную мощность, потребляемую им из сети (знак плюс) или отдаваемую в сеть (знак минус) при номинальной активной мощности и номинальном напряжении (а для синхронных машин и при номинальном токе возбуждения или номинальном коэффициенте мощности). Паспортная реактивная мощность приёмников ПКР приводится к длительному режиму, т.е. к ПВ=100 %, по формуле:

(3.9)

Групповая номинальная реактивная мощность – это алгебраическая сумма номинальных (паспортных) реактивных мощностей отдельных рабочих приёмников, приведённых к ПВ=100 %:

(3.10)

Номинальные токи определяются аналогично:

(3.11)

(3.12)

При достаточно близких значениях отдельных приёмников группы можно принимать:

(3.13)

2. Средние нагрузки. Для характеристики переменной нагрузки приёмников электроэнергии за рассматриваемый интервал времени определяют средние нагрузки. Средние активная и реактивная мощность приёмника за интервал времени t определяют из выражений:

(3.14)

В условиях эксплуатации средние нагрузки рассматриваются за определённый характерный интервал времени, например за цикл, и определяются по показаниям счётчиков активной и реактивной энергии с помощью выражений:

для одного приёмника

(3.15)

для группы приёмников

(3.16)

где э_а, Э_а, э_р, Э_р – потребление активной и циркуляция в системе реактивной электроэнергии соответственно отдельными приёмниками или группой приёмников.

Средняя (активная и реактивная) мощность группы приёмников представляет собой алгебраическую сумму средних мощностей отдельных приёмников, входящих в данную группу:

(3.17)

Аналогично средняя нагрузка по току группы приёмников (приближённо):

(3.18)

В зависимости от интервала осреднения различают средние нагрузки за максимально загруженную смену, среднемесячные и среднегодовые нагрузки. Максимально загруженной считается смена с наибольшим потреблением электроэнергии, рассматриваемой группой приёмников, её значение используется при расчёте нагрузок групп приёмников. По среднесменной нагрузке определяют расчётную нагрузку, а по среднегодовой – годовые потери электроэнергии. Характерными считаются те сутки, в течение которых потребление электроэнергии примерно равно величине средневзвешенного потребления электроэнергии за один рабочий день в рассматриваемом периоде (неделя, месяц, год). Средневзвешенное потребление активной Э_{а, ср. взвеш.} и реактивной Э_{р, ср. взвеш.} электроэнергии определяется из выражений:

(3.19)

где - средневзвешенное потребление активной и реактивной энергии за сутки в рассматриваемом периоде времени;

- полное потребление активной и реактивной энергии за рассматриваемый период времени;

n - число рабочих дней в рассматриваемом периоде времени.

3. Среднеквадратичные нагрузки. Потери мощности в проводнике пропорциональны квадрату нагрузки. Групповые квадратичные графики нагрузки P²(T), Q²(T), I²(T) характеризуются значениями среднеквадратичной нагрузки P_ck, Q_ck, I_ck исходного графика за рассматриваемый период времени (цикл, смена, год). Среднеквадратичные нагрузки P_ck, Q_ck, I_ck за любой интервал времени в общем виде определяются из выражений:

(3.20)

где Т – рассматриваемый период времени.

Среднеквадратичная реактивная мощность Q_ck имеет важное значение для оценки эффекта снижения потерь электроэнергии в сетях при повышении коэффициента мощности .

4. Максимальные нагрузки. Максимальные значения активной, реактивной и полной мощности, а также тока, представляют собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени. Максимальные нагрузки характеризуются ожидаемой частотой появления за тот или иной период времени. По продолжительности различают два вида максимальных нагрузок:

· максимальные длительные нагрузки различной продолжительности (10, 15, 30, 60 мин), определяемые для выбора элементов системы электроснабжения по нагреву и расчёта максимальных потерь мощности в них;

· максимальные кратковременные нагрузки (пиковые) длительностью 1-2 сек, необходимые для проверки колебаний напряжения в сетях, определения потерь напряжения в контактных сетях, проверки сетей по условиям самозапуска электродвигателей, выбора плавкой вставки предохранителя, расчёта тока срабатывания максимальной токовой защиты.

5. Расчётные нагрузки.

а) Под расчётной нагрузкой по допустимому нагреву понимается такая длительная неизменная нагрузка элемента системы электроснабжения (трансформатора, линии и т.п.), которая эквивалентна ожидаемой изменяющейся нагрузке по наиболее тяжёлому тепловому воздействию: максимальной температуре нагрева проводника или тепловому износу его изоляции.

Соответственно двум эффектам нагрева проводника (максимальной температуре его нагрева и тепловому износу его изоляции) различают:

· расчётную нагрузку по максимальной температуре нагрева, т.е. такую неизменную во времени нагрузку I_pI, которая вызывает в проводнике тот же максимальный перегрев над окружающей температурой, что и заданная переменная нагрузка I(T);

· расчётную нагрузку по тепловому износу изоляции, т.е. такую неизменную во времени нагрузку I_pII, которая вызывает в проводнике ту же величину теплового износа изоляции, что и заданная переменная нагрузка I(T).

Расчётной нагрузкой I_p для данного графика I(T) является наибольшая из отвечающих ему величин I_pI и I_pII.

Между величинами относительного износа изоляции и максимальным перегревом проводника имеется связь, количественная оценка которой возможна лишь на основе изучения характеристик теплового износа различных видов изоляции. Однако числовые характеристики устойчивости изоляции проводников по тепловому износу производителями не указываются. Поэтому при расчётах приходится принимать в качестве исходной величину расчётной нагрузки по допустимому максимальному перегреву проводника, т.е. I_pI.

Эффект нагрева проводника обусловлен его токовой нагрузкой, вследствие простоты в проектной практике широко применяется понятие расчётной нагрузки по активной мощности P_p. Однако следует иметь в виду, что, так как

(3.21)

то для определения P_p необходимо знать величину коэффициента мощности, что далеко не всегда возможно.

Расчётная нагрузка соответствует работе приёмников электроэнергии с повышенной нагрузкой, а следовательно и с повышенным значением расчётного коэффициента мощности (данные которого отсутствуют), то используют завышенное (с запасом) значение коэффициента мощности . Величина равна средневзвешенному значению коэффициента мощности за рассматриваемый период времени, характерный для приёмников определённого вида при однотипной технологии производства. Средневзвешенный коэффициент мощности определяется по выражению:

(3.22)

где и - соответственно расходы активной и реактивной энергии за рассматриваемый период времени Т.

Расчётная нагрузка по допустимому нагреву может быть активной P_p, реактивной Q_p, кажущейся (полной) S_p, или токовой I_p. Расчётную нагрузку по допустимому нагреву сокращённо называют расчётной нагрузкой.

б) Под расчётной нагрузкой по допустимой потере напряжения понимают пиковую нагрузку, выраженную в амперах (I_пик), киловаттах (P_пик) или в киловольт-амперах (S_пик), которая вызывает максимальные потери напряжения и наиболее тяжёлые условия работы электрической сети, при которых обеспечивается нормальная работа электроприёмников.