Нагрузки электрических сетей

Нагрузка любого узла сети в первую очередь характеризуется величинами активной и реактивной мощностей и их зависимостью от времени. В свою очередь, эти величины определяются числом, мощностью потребления и графиком работы отдельных электроприемников. Так, например, мощность, потребляемая промышленным предприятием, определяется числом одновременно работающих станков, характером технологического процесса, числом и мощностью ламп освещения и т.д. Очевидно, что мощность, потребляемая промышленным предприятием в течение суток, может изменяться в широких пределах, что связано, в первую очередь, со сменностью работы, остановкой большинства станков на время обеденных перерывов, различной потребностью в электрическом освещении в течение суток. В частности, в дневное время коэффициент мощности, т.е. соотношение активной и реактивной мощностей, будет примерно соответствовать так называемому средневзвешенному коэффициенту мощности электродвигателей. В ночное время, при отсутствии на предприятии третьей смены, его нагрузка будет регламентироваться осветительными приборами, т.е. иметь коэффициент мощности, близкий к единице. Поэтому характеристика нагрузки по потребляемой мощности будет полной лишь тогда, когда известна совокупность всех возможных значений мощности, необходимой данным потребителям электроэнергии.

Эта характеристика содержится в виде так называемых графиков нагрузки, которые представляют собой плавные, ломаные или ступенчатые линии (кривые), построенные в прямоугольных осях координат, где по оси абсцисс откладывается время, в течение которого оценивается нагрузка, а по оси ординат – мощность нагрузки, которая, в частности, может быть представлена в относительных единицах. При этом за базисную величину принимают номинальное расчетное значение потребляемой мощности.

В качестве примера на рис. 2.12 представлен график нагрузки промышленного предприятия с двухсменной работой

 

Рис. 2.12. Суточный график нагрузки промышленного предприятия

с двухсменной работой

 

Несмотря на различие суточных графиков нагрузки для разных потребителей, можно использовать для характеристики этих графиков одни и те же количественные показатели. К числу таких показателей прежде всего относятся наибольшее (Р_нб) и наименьшее (Р_нм) значения мощности нагрузки (рис. 2.12).

К другим важным показателям суточного графика нагрузки относятся среднесуточная нагрузка (Р_ср), коэффициент неравномерности графика (a_сут) и плотность графика (b_сут).

Среднесуточная нагрузка определяется как отношение потребленной за сутки электроэнергии (Э_сут) [Вт×час], [кВт×час] или [МВт×час] к числу часов в сутках

.

Коэффициент неравномерности представляет собой отношение наименьшего и наибольшего значений мощности нагрузки

.

Плотность суточного графика характеризуется отношением среднесуточной нагрузки к наибольшей

.

Очертания суточных графиков одного и того же потребителя будут различны в зависимости от дня недели (рабочий, предвыходной или выходной). Кроме того, суточные графики, допустим, рабочего дня зимнего и летнего сезонов будут отличаться друг от друга по ряду причин: различная продолжительность светлого для суток, неодинаковый расход электроэнергии на нужды отопления, изменение числа работающих единиц оборудования из-за неравномерности распределения в течение года очередных отпусков рабочих и т.д.

Часто для получения хотя и приближенного, но все-таки более полного представления, пользуются суточными графиками для трех периодов работы потребителей: зимнего, летнего и весенне-осеннего. Соответственно различают наибольшую и наименьшую нагрузки для этих периодов. Для большинства районов нашей страны зимний период характеризуется максимальным значением наибольшей мощности Р_нб, а летний – минимальным значением наименьшей мощности Р_нм.

Графики для отмеченных характерных периодов и число суток, которые относятся к тому или иному периоду, позволяют получить годовые графики нагрузки.

Одной из форм таких графиков, широко используемых при проектировании и в практике эксплуатации электрических сетей, являются так называемые годовые графики по продолжительности нагрузки.

 

Рис. 2.13. Пример годового графика активной нагрузки

по продолжительности

Такой график (рис. 2.13) представляет собой диаграмму постепенно убывающих значений мощности, каждому из которых соответствует определенный период времени в течение года.

Другой важной формой годового графика нагрузки следует считать график месячных максимумов нагрузки ( рис. 2.14 ). На таком графике по оси абсцисс откладываются месяцы в календарном порядке, а по оси ординат отмечаются максимальные значения нагрузки за данные месяцы.

Рис. 2.14. Пример годового графика месячных максимумов

активной нагрузки

 

Для таких графиков характерен больший или меньший спад в летние месяцы, что объясняется исключением отопительной нагрузки и снижением длительности включения осветительной нагрузки.

Суточные и годовой графики нагрузки по продолжительности позволяют рассчитать количество электроэнергии, получаемой потребителем соответственно за сутки и за год. При известной мощности нагрузки Р_н получаемая потребителем энергия за бесконечно малый промежуток времени dt составляет

. (2.24)

Энергия, получаемая за период Т при изменяющейся во времени мощности, определяется при интегрировании (2.24):

. (2.25)

Правая часть (2.25), согласно известной геометрической интерпретации (истолкованию) определенного интеграла, есть площадь, ограниченная осями координат и графиком нагрузки. Для удобства вычисления этой площади реальные графики (если они не имеют вида ступенчатой линии) приводят к виду ступенчатой линии. Принцип такого приведения предполагает: 1) сохранение характерных точек исходного графика (наибольшие и наименьшие нагрузки и отдельные закономерные повышения и понижения мощности); 2) выдерживают равенство площадей исходного и ступенчатого графиков.

Годовой график нагрузки характеризуют показателем, который называется числом часов использования наибольшей нагрузки. Этот показатель определяет время, в течение которого потребитель, работая с наибольшей нагрузкой, получал бы из сети то же количество энергии, что и при работе по действительному графику.

В общем случае при плавном графике используют известные методы замены площади, ограниченной графиком нагрузки и осями координат, на эквивалентный по площади прямоугольник с высотой, соответствующей Р_нб. Основание этого прямоугольника равно значению Т_нб.

Для потребителя с некоторым ступенчатым графиком нагрузки определение времени Т_нб иллюстрируется рис. 2.15.

Время Т_нб может вычисляться как применительно к годовому, так и к суточному графику. В году принимается расчетная длительность 8760 час, что соответствует невисокосному году (в феврале 28 дней).

 

 

Рис. 2.15. К определению числа часов использования

Наибольшей нагрузки

 

Среднестатистические величины Т_нб для различных отраслей народного хозяйства значительно отличаются друг от друга, что определяется специфичными особенностями соответствующих технологических процессов. Так, непрерывное химическое и металлургическое производства имеют средние значения Т_нб = 8500 час, а сельскохозяйственное производство – 5000 час.

Графики нагрузки потребителей эксплуатируемых электрических сетей могут быть получены по непосредственным измерениям. Такие графики будут точно соответствовать потреблению мощности именно в этот период, но не будут учитывать случайные факторы, которые могут исчезнуть в последующие периоды. Поэтому для суждения о типичном характере графика того или иного потребителя необходима обработка графиков.

Для работы потребителей электрической энергии необходима передача по сети не только активной, но и реактивной мощности. Поэтому наряду с графиками изменения активной мощности необходимо иметь также и графики реактивной мощности. Эти графики могут быть получены теми же методами, что и графики активной мощности. В общем случае эти графики не совпадают.

При проектировании требующаяся потребителю реактивная мощность учитывается приближенно. При этом для характеристики величины необходимой реактивной мощности используется коэффициент мощности (cos j_н), значение которого принимается неизменным, либо задается применительно к периодам наибольшей и наименьшей активной мощности нагрузки. Указанные значения коэффициента мощности можно взять в справочной литературе.

При перспективном проектировании реактивную мощность узла нагрузки, т.е. группы потребителей, питающихся от общих шин, определяют перемножением максимальной расчетной активной нагрузки на усредненные значения tg j_н(нб), которые учитывают компенсирующие устройства, установленные у потребителей и потери реактивной мощности в сетях предшествующих ступеней напряжения.