Система электроснабжения (СЭС) должна быть экономична, иметь наименьший расход топливно-энергетических ресурсов. Обеспечение этого требования ведет к необходимости снижения электрических потерь (если, говорить, в частности, об электроэнергии) во всех элементах передачи электроэнергии от электростанции до конкретного потребителя.
В настоящее время эти потери составляют до 20% передаваемой электроэнергии. Здесь необходимо различать потери, вызванные паспортными характеристиками оборудования и передающих сетей, от дополнительных, обусловленных целым рядом причин, появляющихся в процессе эксплуатации.
Сюда относятся потери, появившиеся в результате несоответствия номинальных характеристик агрегатов их фактической технологической нагрузке, эксплуатации при нерациональных режимах, низкого качества ремонтных работ, из-за брака продукции.
Часть таких потерь может быть ликвидирована на стадии проектирования систем электроснабжения, но большая часть - в налаживании рациональной эксплуатации.
Обеспечение эффективности системы электроснабжения на стадии проектирования
В период проектирования систем электроснабжения, имея исходные данные по объему потребляемой мощности и технологии производства, учитывая электромагнитную совместимость различных приемников, следует правильно выбрать значение питающего напряжения, обеспечить качество электроэнергии в соответствии с нормативами, разделить спокойную и динамическую нагрузку, обеспечить требуемый для данных приемников уровень мощности короткого замыкания.
Правильным выбором сечений и материалов линий электропередач, количества и мощности трансформаторов на всех подстанциях, применением устройств для компенсации реактивной мощности можно значительно уменьшить потери электроэнергии при ее транспортировке от электростанции до конкретной технологической установки.
Выбор для внешних и внутренних электрических сетей предприятий повышенных напряжений (вместо 0,22 кВ - 0,4 кВ, вместо 6 кВ или 10 кВ - 35 кВ, вместо 35 кВ - 110 кВ) сокращает потери электроэнергии пропорционально квадрату отношения значения напряжения низшего к высшему.
Уровень напряжения каждой ступени системы электроснабжения должен выбираться на основании технико-экономического расчета, т.к. рост напряжения хотя и приводит к снижению потерь электроэнергии при ее передаче по сетям промышленного предприятия, но требует увеличения числа изоляторов, установки более мощных опор и т.д.
Неплохим вариантом является включение в работу резервных ЛЭП. Это снижает потери электроэнергии пропорционально уменьшению омического сопротивления ЛЭП.
Например, если предприятие питается по одной линии электропередачи, а резервная ЛЭП отключена или находится под напряжением без нагрузки, то включение ее (по соответствующей схеме) снизит потери в питающих линиях в два раза (если значения протяженности, площади сечения и нагрузки основной и резервной ЛЭП равны).
При проектировании систем электроснабжения следует стремиться к минимально необходимому числу трансформаций, т.к. при каждой трансформации теряется 2 - 3 % от переданной электроэнергии.
Число силовых трансформаторов, устанавливаемых на подстанциях, определяется в первую очередь условиями надежности электроснабжения. Целесообразность использования схемы с одним или двумя трансформаторами определяется технико-экономическими расчетами.
Обеспечению энергосбережения и управления энергопотребением также способствует грамотно организованный учет электроэнергии, который производится на основе измерений с помощью счетчиков электрической энергии и информационно-измерительных систем.
Для повышения эффективности учета электроэнергии в электроустановках обычно применяются автоматизированные системы учета и контроля электроэнергии (АСКУЭ). Внедрение подобных систем относится к малозатратным или среднезатратным мероприятиям со сроком окупаемости до одного года.
Обеспечение эффективности системы электроснабжения при эксплуатации
Изменения во времени передаваемой трансформаторами электрической мощности выражаются графиком нагрузки за рассматриваемый период (сутки, месяц, год или даже весь срок службы трансформатора). Одним из способов снижения потерь электрической энергии является выравнивание графика электрической нагрузки.
КПД трансформатора не является линейной функцией загрузки и выражается несимметричной кривой параболической формы, определяемой практически независимыми от нагрузки потерями в стали магнитопровода и изменяющимися в квадратичной зависимости от нагрузки потерями в обмотках.
Удельные приведенные затраты резко возрастают при коэффициентах загрузки, меньших 0,6, а при увеличении номинальной мощности трансформаторов удельные приведенные затраты уменьшаются. Таким образом, повышение загрузки у эксплуатируемых трансформаторов и их выбор с учетом оптимальных коэффициентов загрузки позволит уменьшить затраты электроэнергии.
Отключение силовых трансформаторов на нерабочие сутки и смены уменьшает потери электроэнергии в трансформаторах ввиду ликвидации потерь холостого хода в них, а также повышает коэффициент мощности благодаря уменьшению потребления реактивной мощности. Вывод из работы силовых трансформаторов не должен снижать надежность электроснабжения.
Эксплуатационный контроль электрических параметров
Контроль электрических параметров необходим для поддержания определенного заданного электрического и экономического режимов работы электроустановок, а также для определения и устранения несимметрии нагрузки в подводящей сети.
Кроме того, измерение электрических параметров выполняется при настройке и наладке автоматических регуляторов мощности, защиты от коротких замыканий и перегрузок, при определении потерь электроэнергии, КПД и коэффициента мощности.
Все эти измерения выполняются как в процессе эксплуатации, так и при монтаже и пуске установки.
Контроль большей части параметров выполняется непрерывно по показаниям приборов класса точности 1 - 2,5, установленных на пультах, щитах управления, а некоторых - периодически по более точным приборам.
При выборе приборов контроля необходимо ориентироваться на характеристики контролируемого оборудования, т.е. прежде всего подобрать приборы по роду напряжения и частоте, ориентируясь на режим работы, на перегрузочную способность прибора.
Обязательно продумать вопросы пределов измерения, расширив их при необходимости применением трансформаторов тока и напряжения, используя шунты и добавочные сопротивления.
Компенсация реактивной мощности
Большинство промышленных предприятий являются крупными потребителями реактивной мощности. Одним потребителям она нужна для нормальной работы (асинхронные двигатели), другие имеют значительные индуктивные сопротивления (дуговые сталеплавильные печи) своих токоподводов, что также заставляет передавать по системам электроснабжения значительные реактивные мощности.
В процессе передачи необходимой активной и реактивной мощности в проводниках системы образуются потери активной и реактивной, мощности.
Потери активной мощности, вызванные необходимостью передачи реактивной мощности, требуют дополнительных затрат на увеличение площади сечения проводников, мощностей трансформаторов, создают дополнительные потери электроэнергии, требуют установки дополнительных мощностей генераторов на электростанциях.
Особенность выработки реактивной мощности позволяет размещать генераторы реактивной мощности в любой точке энергосистемы и не связывать их непременно с генераторами станций. Это дает возможность существенно снизить реактивную составляющую или даже полностью ее ликвидировать путем проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности.
Устройства, компенсирующие реактивную мощность, несколько усложняют и удорожают эксплуатацию электрических установок. Кроме того, в них самих создаются дополнительные потери активной мощности, однако они значительно меньше, чем при передаче полной реактивной мощности по системе.
На тех участках, на которых потребление реактивной мощности падает за счет компенсации, увеличивается пропускная способность линий и трансформаторов, а при проектировании новых линий создается возможность применения проводов меньшей площадью сечения при передаче той же активной мощности.
Дополнительные потери активной мощности в компенсирующих установках характеризуют экономичность выработки реактивной мощности и целесообразность их установки. Эти потери для различных видов компенсирующих установок различны и характеризуются удельным расходом активной мощности на компенсацию.
Способ компенсации и значение компенсирующей мощности должны выбираться в каждом конкретном случае так, чтобы расчетные затраты на 1 квар получились минимальные.
Дело в том, что снизить потребление реактивной мощности предприятием можно одним из трех способов или их комбинацией:
- мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств;
- мероприятия с применением компенсирующих устройств;
- мероприятия, допускаемые в виде исключения по повышению коэффициента мощности (используется синхронный двигатель в качестве синхронных компенсаторов).
Последние два мероприятия должны быть согласованы с энергосистемой и подтверждены технико-экономическими расчетами.
Мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств:
- упорядочение технологического процесса и применение рациональных электрических режимов;
- устранение режимов холостого хода у асинхронных двигателей и трансформаторов;
- замена, перестановка и отключение трансформаторов, загруженных в среднем менее чем на 30% номинальной мощности;
- переключение статорных обмоток асинхронных двигателей с «треугольника» на «звезду» при загрузке меньше 40%;
- замена асинхронных двигателей на синхронные для всех новых установок электропривода (подтверждается технико-экономическими расчетами);
- повышение качества ремонта двигателей с сохранением номинальных данных.
Для компенсации реактивной мощности на предприятиях применяются конденсаторы, включаемые по схемам поперечной или продольной компенсации, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели и генераторы, статические источники реактивной мощности, параметрические источники тока. Каждый из этих источников имеет свои преимущества и недостатки.
В промышленности для компенсации реактивной мощности наиболее часто используются статические конденсаторы.
Групповая компенсация на группу потребителей, подсоединение конденсаторов к шинам производятся на цеховой ТП или на ГПП.
Индивидуальная компенсация - конденсаторы наглухо подключаются к обмоткам отдельных электродвигателей или трансформаторов, коммутируются вместе с ними, иногда отдельно.
Включение и отключение конденсаторов сопровождается значительными толчками токов при переходных процессах, что требует запаса на 50% по номинальному току автоматического выключателя.
Очень остро стоит вопрос потребления реактивной мощности на предприятиях с электротехнологическими установками. При наличии индукционных плавильных печей или закалочных нагревательных установок вопросы решаются легко путем применения конденсаторных батарей, входящих в комплект оборудования установок.
Так же просто решается вопрос на предприятиях с вакуумными дуговыми печами, питающимися от параметрических источников тока, где они используются одновременно и для поддержания коэффициента мощности всего предприятия. Их особенностью является возможность перевода индуктивной реактивной мощности в емкостную.
Повышение параметров качества электрической энергии
Поддержание стабильного уровня качества электроэнергии в распределительной сети становится все более сложной задачей из-за более широкого использования преобразователей силовой электроники. Ухудшение качества электроэнергии приводит к увеличению потерь, неэффективному использованию распределительных систем, неисправности чувствительного оборудования и помехам для близлежащих потребителей.
В пределах нормально допустимого значения показателей качества электрической энергии (ПКЭ) обеспечивается нормальное функционирование технических средств. В диапазоне от нормального значения ПКЭ до предельно допустимого нормальное функционирование также обеспечивается, но ограничено по времени. Если значение ПКЭ в точке подключения электроприемника превышает предельно допустимое значение, то его нормальное функционирование нарушается.
Неустойчивое напряжение, фликер напряжения, а также высшие гармоники, как правило, не опасны для микроэлектронной техники, но вызывают сбои и нечеткую работу и требуют включения источников питания через соответствующие фильтры.
Для повышения показателей качества электрической энергии в системе электроснабжения можно использовать активные фильтры — это инновационное оборудование для компенсации гармоник тока, создаваемых нелинейными нагрузками.
Активный фильтр — это отличная альтернатива использованию пассивных фильтров, поскольку она позволяет избежать известных недостатков, таких как: неконтролируемые резонансы, т. е. вызванные изменениями паразитных параметров линии, перегрузками, вызванными гармоническими токами, создаваемыми соседними пользователями, расстройкой, вызванной дрейфом характеристик используемых компонентов, медленной реакцией на изменение нагрузки.
Смотрите также по этой теме:
Причины, вызывающие снижение коэффициента мощности и методы его повышения
Для чего нужны, как устроены и работают фильтрокомпенсирующие устройства
Интеллектуальная энергетическая сеть, Smart grid, умная сеть электроснабжения