Текст книги "Электроснабжение промышленных предприятий. Часть 1"

В. Б. Шлейников
Электроснабжение промышленных предприятий. Часть 1

Введение

Лабораторные работы являются неотъемлемой частью курса «Электроснабжение промышленных предприятий». На лабораторных занятиях студент совершенствует навыки схемотехники, выполняет электрические измерения, учится распознавать нормальные и аварийные режимы работы оборудования, получает опыт безопасного обращения с электрическим током. Кроме того, лабораторные работы являются иногда единственным средством понимания некоторых процессов.

Вопросам разработки лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий» посвящено немало учебных изданий, которые содержат некоторый набор заданий для выполнения на определенном лабораторном оборудовании, как правило, существующем в единственном экземпляре в отдельно взятом учебном заведении. Кроме того, многие методические указания используют темы лабораторных работ, относящиеся к смежным дисциплинам: электропривод, релейная защита, электрические машины и др.

Данный набор лабораторных работ предусматривает использование в качестве лабораторного оборудования стендов, разработанных ООО «ИПЦ «Учебная техника», представляющих собой унифицированные модули, монтируемые в раме настольного исполнения. Для каждой лабораторной работы разработана электрическая схема, собираемая на базе указанных стендов и методика выполнения эксперимента. Темы работ имеют непосредственное отношение к дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий» и ориентированы на закрепление материала лекционных занятий. Для удобства использования весь материал лабораторного практикума разделен на две части содержащих по четыре лабораторные работы каждая.

В каждой работе приводится краткий теоретический материал, который при подготовке к выполнению работы и обработке результатов должен быть расширен сведениями, приводимыми в литературе, рекомендуемой для изучения темы. Контроль полноты и качества освоения представленного материала выполняется при защите каждой лабораторной работы с использованием контрольных вопросов.

Выполнение лабораторной работы предполагается бригадой, состоящей из двух или трех студентов. Распределение обязанностей между членами бригады выполняется студентами самостоятельно, но под контролем преподавателя. Как правило, одному члену бригады поручается общее руководство выполнением и защитой работы, один студент – оператор стенда, должен отвечать за выполнение присоединений блоков стенда и операции включения и выключение питания схемы. Каждый член бригады несет персональную ответственность за соблюдение правил техники безопасности, приведенных в приложении А.

Защита лабораторной работы проходит в форме собеседования всех членов бригады, выполнявших лабораторную работу с преподавателем на тему работы в виде ответов на контрольные вопросы. При защите лабораторной работы представляется отчет, выполненный согласно требованиям, изложенным в приложении Б.

Срок выполнения каждой работы отражается в графике выполнения лабораторных работ. Рекомендуется для выполнения одной работы предусматривать не менее одной недели для подготовки к выполнению и одной недели для подготовки к защите работы.

Успех освоения практической части курса «Электроснабжение промышленных предприятий» во многом зависит от точности следования рекомендациям лабораторного практикума, ритмичности и планомерности выполнения и защиты лабораторных работ.

Предлагаемый практикум является всего лишь промежуточным звеном в совершенствовании лабораторных работ по дисциплине «Электроснабжение промышленных предприятий», поэтому замечания и недочеты, присутствующие в тексте просьба направлять автору.

1 Лабораторная работа № 1. Построение графика электрических нагрузок промышленного предприятия и определение его основных показателей

Цель лабораторной работы – опытное определение показателей графиков электрических нагрузок.

Задачи

1 Практическим путем получить в заданном масштабе график активной и реактивной нагрузки.

2 Для полученных графиков нагрузок определить основные показатели и коэффициенты, характеризующие эти графики.

3 Определить расход электроэнергии.

1.1 Общие положения

Электрическая нагрузка отдельных потребителей, а, следовательно, и суммарная их нагрузка, определяющая режим работы электростанций в энергосистеме, непрерывно меняется. Принято отражать этот факт в виде графика нагрузки, т.е. диаграммой изменения мощности (тока) электроустановки во времени. По виду фиксируемого параметра различают графики активной Р, реактивной Q, полной (кажущейся) S мощностей и тока I электроустановки. Как правило, графики отражают изменение нагрузки за определенный период времени. По этому признаку их подразделяют на суточные (24 ч), сезонные, годовые и т. п. По месту изучения или элементу энергосистемы, к которому они относятся, графики можно разделить на следующие группы:

1) графики нагрузки потребителей, определяемые на шинах подстанций;

2) сетевые графики нагрузки – на шинах районных и узловых подстанций;

3) графики нагрузки энергосистемы, характеризующие результирующую нагрузку энергосистемы;

4) графики нагрузки электростанций.

Графики нагрузки используют для анализа работы электроустановок, для проектирования системы электроснабжения, для составления прогнозов электропотребления, планирования ремонтов оборудования, а также в процессе эксплуатации для ведения нормального режима работы.

1.1.1 Суточные графики электрических нагрузок

Суточные графики электрических нагрузок, составляемые потребителями, необходимы для определения:

– нагрузок электрических сетей, трансформаторов и суммарной величины электрической нагрузки предприятия;

– tgϕ на отдельных трансформаторах и в целом по предприятию;

– коэффициента заполнена графика нагрузки.

Суточные графики нагрузки позволяют правильно оценить режим работы электрооборудования и предприятия, в целом, выявить узкие места и резервы, установить оптимальный режим их работы.

В соответствии с Правилами пользования электрической энергией все предприятия обязаны составлять суточные графики электрических нагрузок 2 раза в год: первый раз в июне – летние графики, второй раз в декабре – зимние графики.

Предприятия, расчетные электросчетчики которых установлены в головной части питающих их фидеров, обязаны получить протоколы с записями показаний электросчетчиков, с электростанций или подстанций на следующий день после установленного дня составления графиков. По показаниям электросчетчиков, записанным персоналом станций или подстанций, предприятие обязано немедленно произвести вычисления электрических нагрузок фидеров и tgϕ. Графики должны составляться по разности, показаний расчетных активных и реактивных электросчетчиков за каждый час. Первая запись должна быть сделана в 0 ч 00 мин и последняя в 24 часа. Одновременно с составлением графиков нагрузки составляются суточные графики напряжения по данным ежечасных записей в протоколах показаний вольтметров. Запись показаний вольтметров предприятие обязано производить ежечасно в день составления графика независимо от места расположения счетчиков, в головной части фидера на станции или подстанции или на приемной части фидера у потребителя.

Графики суточных нагрузок и напряжений вместе с протоколами сдаются в Энергосбыт или в соответствующие отделения не позднее пяти дней после дня, установленного для составления суточных графиков.

Запись напряжения необходимо производить на:

– каждом высоковольтном вводе, питающем предприятие;

– отдаленных сборках низкого напряжения, если на них напряжение занижено;

– шинах низкого напряжения каждого распредели тельного устройства.

При наличии на предприятии самопишущих вольтметров суточные графики напряжения составляются на основании диаграммных лент самописцев.

Если на предприятии нет самопишущих вольтметров, записи напряжения производятся по лабораторным стрелочным приборам класса точности 0,5-1,5, подключаемым к шинам низкого напряжения непосредственно или через трансформаторы напряжения класса точности 0,5. На вводах высокого напряжения лабораторные вольтметры включаются во вторичную обмотку трансформаторов напряжения. При отсутствии самопишущих и лабораторных стрелочных вольтметров напряжение записывается по щитовым вольтметрам. Вольтметры, по которым составляются графики напряжения, должны быть исправны, и проверены госповерителем.

Фактический график нагрузки может быть получен с помощью регистрирующих приборов, которые фиксируют изменения соответствующего параметра во времени. Перспективный график нагрузки потребителей определяется в процессе проектирования.

Для построения перспективного графика необходимо знать характер изменения нагрузки потребителя во времени, который при проектировании обычно определяется по типовым графикам. Типовой график нагрузки строится по результатам исследования аналогичных действующих потребителей и приводится в справочной литературе в виде, показанном на рисунке 1.

Рисунок 1 – Суточные графики активной нагрузки потребителя: а – типовой; б – в именованных единицах

Для удобства расчетов график выполняется ступенчатым. Наибольшая возможная за сутки нагрузка принимается за 100 %, а остальные ступени графика показывают относительное значение нагрузки для данного времени суток. При известном Р_макс можно перевести типовой график в график нагрузки данного потребителя, используя соотношение для каждой ступени графика в Вт:

где n – ордината соответствующей ступени типового графика, %.

На рисунке 1 б показан график потребителя электроэнергии, полученной из типового, показанного на рисунке 1 а при Р_max = 2 МВт.

Обычно для каждого потребителя дается несколько суточных графиков, которые характеризуют его работу в разное время года и в разные дни недели. Это – типовые графики зимних и летних суток для рабочих дней, график выходного дня и т.д. Основным является обычно зимний суточный график рабочего дня. Его максимальная нагрузка Р_макс принимается за 100 %, и ординаты всех остальных графиков задаются в процентах именно этого значения. На рисунке 2 приведен пример графика электрической нагрузки, полученный по справочным данным.

1 – график рабочего дня; 2 – график выходного дня.

Рисунок 2 – Пример типового графика конкретного вида производства (черная металлургия)

Кроме графиков активной нагрузки, используют графики реактивной нагрузки. Типовые графики реактивного потребления также имеют ординаты ступеней, в процентах абсолютного максимума. Абсолютный максимум реактивной нагрузки определится по выражению в вар:

где tgφ_макс определяется по значению cosφ_макс, которое задано, как исходный параметр для данного потребителя.

Суточный график полной мощности можно получить, используя известные графики активной и реактивной нагрузок. Значения мощности по ступеням графика, показанного на рисунке 3, определяются по выражению в В·А:

где Р_ст и Q_ст – активная и реактивная нагрузки данной ступени в именованных единицах.

Рисунок 3 – Суточные графики активной, реактивной и полной мощности потребителя

1.1.2 Годовой график электрических нагрузок

Годовой график продолжительности нагрузки показывает длительность работы установки в течение года с различными нагрузками. По оси ординат откладывают нагрузки в соответствующем масштабе, по оси абсцисс – часы года от 0 до 8760. Нагрузки на графике располагают в порядке их убывания от Р_макс до Р_мин как показано на рисунке 4.

Рисунок 4 – Годовой график продолжительности нагрузок.

Построение годового графика продолжительности нагрузок производится на основании известных суточных графиков. На рисунке 5 показан способ построения графика при наличии двух суточных графиков нагрузки – зимнего (183 дня) и летнего (182 дня).

Для наиболее распространенных потребителей электроэнергии в справочниках приводятся типовые графики активной и реактивной нагрузок по продолжительности. График по продолжительности нагрузок применяют в расчетах техникоэкономических показателей установки, расчетах потерь электроэнергии, при оценке использования оборудования в течение года и т. п.

T₁ = t₁ · 183; T₂ = t₂ · 183; T₃ = t₃ · 183; T₄ = t₄ · 182; T₄ = t₄ · 182; T₅ = t₅ · 182.

Рисунок 5 – Построение графика по продолжительности нагрузок

1.2 Описание лабораторной установки РССЭС1-Н-Р

Лабораторная установка представляет собой комплект типового лабораторного оборудования РССЭС1-Н-Р (настольное исполнение, ручная версия), предназначенного для проведения лабораторных занятий по курсу «Электроснабжение промышленных предприятий».

В настольной раме смонтированы аппаратные модули в составе, приведенном в таблице 1.

Таблица 1 – Состав оборудования стенда

Для выполнения электрических соединений прилагается комплект проводников различной длины красного, черного и желтого с зеленой полоской цветов и Uобразных перемычек. Проводники красного, черного цвета и перемычки предназначены для выполнения основных соединений элементов схемы. Проводники желтого с зеленой полоской цвета, предназначены для устройства защитного заземления модулей стенда, служащего защитой оператора от поражения электрическим током. Наконечники проводников и перемычек выполнены с безопасными разъемами.

Общий вид лабораторной установки приведен на рисунке 6.

Рисунок 6 – Вид лабораторной установки РССЭС1-Н-Р

1.3 Описание лабораторной установки КЭЭСЭС1-Н-К

Лабораторная установка представляет собой комплект типового лабораторного оборудования КЭЭСЭС1-Н-К (настольное исполнение, компьютерная версия), предназначенного для проведения лабораторных занятий по курсу «Электроснабжение промышленных предприятий».

В настольной раме смонтированы аппаратные модули в составе, приведенном в таблице 2.

Таблица 2 – Состав оборудования стенда

Общий вид лабораторной установки приведен на рисунке 7.

Рисунок 7 – Лабораторная установка КЭЭСЭС1-Н-К

1.4 Основные приемы работы со стендом

Перед выполнением любых коммутаций следует убедиться, что однофазный источник питания выключен.

При выполнении лабораторной работы студент, являющийся оператором стенда, соединяет согласно схеме аппаратные модули. Для этого наконечники проводников соответствующей длины или перемычки вставляются с небольшим усилием в гнезда. При этом стенд нужно придерживать за раму.

Проводники можно соединять между собой. Присоединение двух и более проводников к одному разъему выполняется при помощи безопасных наконечников проводников. Присоединение мультиметров следует выполнять проводниками с безопасными наконечниками, входящими в комплект стенда.

1.5 Измерительные приборы

При выполнении лабораторной работы необходимо определять напряжение и ток в электрической цепи. Эти измерения выполняются мультиметром. Порядок подключения мультиметра:

– установить род тока (постоянный/переменный) и предел измерения;

– правильно присоединить зажимы мультиметра к измеряемой цепи.

Внешний вид мультиметра приведен на рисунке 8. Расположение и назначение разъемов для измерения различных электрических величин приведены на рисунке 9.

Рисунок 8 – Внешний вид мультиметра MY-60

Рисунок 9 – Схема расположения разъемов мультиметра MY-60

Пример 1 – Измерение переменного напряжения.

Для измерения напряжения в нашем случае, устанавливаем переключатель диапазонов мультиметра в положение 700 V~, а присоединение проводников выполняем к разъемам СОМ и V.

Пример 2 – Изменение силы переменного тока.

Устанавливаем переключатель диапазонов мультиметра в положение 2 А~, а присоединение проводников выполняем к разъемам СОМ и 2 А.

1.6 Ход работы

Для выполнения измерений потребуется собрать испытательную установку, согласно схеме соединения блоков стенда, показанной на рисунке 10.

Рисунок 10 – Схема соединений блоков стенда для получения графиков электрических нагрузок

Переключатель мощности активной (блок 306.4) и индуктивной нагрузки (блок 324.4) следует установить в положение – «нет нагрузки».

Собранную схему нужно показать преподавателю и сообщить фамилию оператора стенда. Преподаватель включает питание стенда (или разрешает включить питание). Дальнейшие эксперименты выполняются оператором стенда самостоятельно.

Порядок включения стенда:

1) присоединить вилку к розетке;

2) включить SF2 (выключатель УЗО) блока 218.2;

3) включить SF1 (автоматический выключатель) блока 218.2;

4) выполнить контроль зажигания индикатора включения питания (светодиод красного цвета) блока 218.2;

5) проверить готовность мультиметров к работе и включить их нажатием кнопки on/off если кнопка находилась в положении on, то потребуется двукратное ее нажатие;

6) включить кнопку «Сеть» измерителя мощностей;

7) включить тумблер автоматического выключателя SF3, одновременно наблюдая за работой стенда.

ВНИМАНИЕ: При появлении аномальных (для электрического оборудования) явлений немедленно выключить SF1. Срабатывание автомата выключателей SF1, SF3 или SF2 (УЗО) указывает на неправильный монтаж или неисправность оборудования.

1.6.1 Снятие показаний приборов для построения графика

В процессе эксперимента предстоит получить показания ваттметра и варметра в зависимости от ступени нагрузки. Для каждой ступени в задании приводится одно положение переключателя активной (в процентах) и одно положение реактивной (в процентах) нагрузки. Каждому часу суток может соответствовать одна две или несколько ступеней.

Запись показаний ваттметра и варметра выполняется для каждой ступени после установки переключателей мощности нагрузки в положение, согласно варианту. Переключение мощности нагрузки выполняют без отключения питания стенда. Установив требуемую мощность нагрузки, записывают показания ваттметра и варметра в таблицу 3, раздел «Показания приборов».

Таблица 3 – Результаты измерений мощности нагрузки

Используемые для различных вариантов коэффициенты трансформации приведены в таблице 15.

1.6.2 Построение графика нагрузки

Построение графика нагрузок выполняется в следующем порядке (рекомендуется выполнять средствами MS Excel или MathCAD):

1) заполняется расчетная часть таблицы 3;

а) определяется суммарный расчетный ток I_р с учетом коэффициента трансформации трансформатора тока измерителя мощностей приведенного в таблице 15;

б) определяется величина cosϕ и tgϕ;

в) определяется величина полной мощности S, кВ∙А;

2) строятся графики активной, реактивной и полной мощности в масштабе оси абсцисс – 1 час;

3) строится годовой график нагрузки по продолжительности.

1.6.3 Определение показателей графика

Для построенных графиков определяются следующие показатели (рекомендуется выполнять средствами MS Excel или MathCAD):

1) максимальные активную Р_макс кВт, реактивную Q_макс квар, полную S_макс кВ·А мощность;

2) минимальные активную P_мин кВт, реактивную Q_мин, квар, полную S_мин кВ·А мощность;

3) средние:

а) активную Рс, кВт

б) реактивную Qc, квар

в) полную Sc, кВ·А

мощность;

4) среднеквадратичные:

а) активную Pс.кв., кВт

б) реактивную Qс.кв., квар

в) полную Sс.кв., кВ·А

мощность;

5) коэффициент максимума по активной мощности, Km

6) коэффициент заполнения графика по активной мощности, Kз.г.а

7) коэффициент формы графика:

а) активной Kф.а.

б) реактивной Kф.р.

в) полной Kф

8) число часов использования максимума активной нагрузки Tm, ч в год

9) коэффициент мощности cosϕ_макс при максимуме активной нагрузки за сутки;

10) коэффициент мощности средний cosϕ_ср за сутки;

11) коэффициент мощности средневзвешенный cosϕ_{ср взв};

12) определить суточное потребление электроэнергии:

а) активной Wа, кВт·ч

б) реактивной Wр, квар·ч

13) определить годовое потребление электроэнергии:

а) активной Wа, кВт·ч в год

б) реактивной электроэнергии Wр, квар·ч в год

14) определить коэффициент сменности энергоиспользования α:

где Pс.г – среднегодовая активная нагрузка.

1.7 Контрольные вопросы

1) Что называется графиком электрической нагрузки?

2) Перечислите разновидности графиков электрических нагрузок.

3) Перечислите способы получения данных для построения графика электрических нагрузок.

4) Приведите алгоритм построения графиков электрической нагрузки различных видов.

5) Как используются графики электрических нагрузок?

6) Перечислите виды мощности, и обозначьте каждую на графике в порядке возрастания (или убывания).

7) Запишите формулы для определения различных видов мощности.

8) Перечислите коэффициенты, характеризующие графики электрических нагрузок.

9) Перечислите коэффициенты, характеризующие особенность потребления электроэнергии приемником.

10) Запишите формулы для определения коэффициентов, характеризующих графики электрических нагрузок.

11) Что называется коэффициентом мощности электроприемника?

12) Перечислите методы расчета электрических нагрузок.

13) Приведите модель системы электроснабжения с подразделением на уровни и охарактеризуйте особенности электропотребления на различных уровнях системы электроснабжения.

14) Поясните применимость методов расчета электрических нагрузок к различным уровням системы электроснабжения.

15) Охарактеризуйте понятие «число часов использования максимума электрической нагрузки» и приведите алгоритм определения его значения.

2.5 Литература, рекомендуемая для изучения темы

1 Федоров, А. А. Электроснабжение промышленных предприятий: учеб. для вузов / А. А. Федоров, Э. М. Ристхейн. – М.: Энергия, 1980. – 360 с.