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).