Рациональное потребление и снижение непроизводительного расхода электроэнергии является важнейшей задачей народнохозяйственного значения. Экономия электроэнергии обусловливает сокращение расхода топливно-энергетических ресурсов, снижение расходов на производство и транспортирование электроэнергии, способствует дальнейшему росту производительных сил страны. Экономия электроэнергии сводится к сокращению ее потребления на единицу выпускаемой продукции.
Показателем потребления электроэнергии является удельная норма расхода электроэнергии q, исчисляемая одним из способов:
1. Отношением расхода электроэнергии к валовой продукции, выраженной в натуральных единицах:
(14-3)
где qн —удельная норма расхода; Э — расход электроэнергии, кВт-ч; Пн- продукция в натуральных единицах, м3, шт., кг и т. д., для выпуска которой израсходовано Э, кВт-ч, электроэнергии.
2. Отношением расхода электроэнергии к валовой продукции в ее стоимостном выражении:
(14-4)
где Пс — стоимость выпущенной продукции, руб.
Некоторые сравнительные данные об удельном расходе электроэнергии в гидромеханизированном производстве:
Примечание. Приведенные данные относятся к грунтам средней связности.
Экономическая эффективность рационального потребления электроэнергии в гидромеханизации очень высока вследствие выдающейся энергоемкости ее установок. Так, среднегодовое потребление электроэнергии одним землесосным снарядом типа 350-50Л составляет 3,3— 4 млн. кВт-ч, а землесосно-гидромониторным комплексом —6— 7,5 млн. кВт-ч.
В связи с задачей производительного и экономичного использования электроэнергии целесообразно рассмотреть отдельно: 1) общие вопросы рационального потребления электроэнергии; 2) сокращение реактивной энергии, потребляемой электроприемниками от питающих сетей.
Рационализация расходования электроэнергии
Рациональное использование электроэнергии требует выполнения следующих условий.
1. Повышение производительности установок гидромеханизации, являющееся основной мерой рационализации потребления электроэнергии, достигается несколькими путями:
а) повышением квалификации персонала;
б) модернизацией оборудования и увеличением его к. п. д.;
в) применением контрольно-измерительных приборов, позволяющих осуществлять режим работы установок на оптимальных параметрах;
г) точной регулировкой и наладкой механизмов (в том числе регулировкой зазоров грунтовых и водяных насосов);
д) автоматизацией установок гидромеханизации, предусматривающей наиболее благоприятное сочетание режима отдельных механизмов, например скоростей фрезы при разработке грунта и скорости папильонирования;
е) применением регулируемого привода механизмов;
ж) общим совершенствованием технологии производства гидромеханизированных работ.
Особое внимание должно быть уделено организации работ в условиях отрицательной температуры.
- Совмещение технологических простоев с часами максимальной загрузки энергосистемы.
- Максимальное сокращение времени простоя и холостой работы механизмов.
- Применение системы нормирования и внедрение прогрессивных удельных норм расхода электроэнергии.
- Разработка, осуществление и повседневный контроль за выполнением организационно-технических мероприятий по рациональному расходованию электроэнергии на предприятии.
Снижение реактивной мощности
Основными потребителями реактивной энергии в условиях гидромеханизации являются двигатели и сварочные трансформаторы.
Потребление реактивной энергии обусловливает существенный экономический ущерб, выражающийся в следующем: 1) увеличивается сечение проводов, а следовательно, расход цветных металлов при сооружении линий электропередачи; 2) увеличиваются потери активной мощности в линиях; 3) увеличиваются потери напряжения в линиях электропередачи; 4) снижается активная мощность, вырабатываемая генераторами электростанций и повышается расход топлива; 5) завышается мощность трансформаторов.
Существуют два основных способа ограничения реактивной энергии, потребляемой электроприемниками: 1) повышение коэффициента мощности; 2) применение средств компенсации реактивной мощности.
Способы повышения коэффициента мощности. Зависимость естественного коэффициента мощности от режима работы асинхронных двигателей и трансформаторов предопределяет группу эксплуатационных мероприятий по сокращению потребления реактивной мощности.
- Снижение напряжения на обмотках малозагруженных двигателей обусловливает уменьшение тока холостого хода (тока намагничивания), составляющего основную часть реактивного тока асинхронной машины. Практически снижение напряжения достигается переключением регулировочных ответвлений на обмотках понижающих трансформаторов, а также переключением обмоток статора двигателя с треугольника на звезду.
Во втором случае напряжение на катушках одной фазы уменьшится в √3 раз, а моменты двигателя (в том числе пусковой), зависящие от квадрата напряжения, уменьшатся в 3 раза. Поэтому такой способ может быть рекомендован, если нагрузка двигателя Мc≤0,35Mн.
- Замена недогруженных двигателей двигателями меньшей мощности целесообразна только в тех случаях, когда загрузка двигателя ниже 45% его номинальной мощности. При загрузке свыше 46% до 70 % целесообразность замены требует подтверждения расчетом. При загрузке, превышающей 70 %, замена недогруженных двигателей считается нецелесообразной.
1 Для установок гидромеханизации такой способ неприменим; двигателя напряжением ниже 1000 В в гидромеханизации работают при напряжении 360 В с обмотками, соединенными в звезду.
- Ограничение длительности холостой работы двигателей, при которой коэффициент мощности имеет наименьшее значение.
- Замена трансформаторов в случае их недостаточной загруженности, если они нагружены до 30% их номинальной мощности.
При загрузке трансформаторов на 35—40% номинальной мощности и выше увеличение коэффициента мощности незначительно и замена трансформаторов может быть экономически не оправданной.
Работа установок гидромеханизации иногда носит сезонный характер и ограничивается в зимнее время года. В этих случаях замена силовых трансформаторов на соответствующих земснарядах, перекачивающих и насосных станциях менее мощными целесообразна на время прекращения основных работ.
Компенсация реактивной мощности в общем случае осуществляется в результате мероприятий по применению устройств, вырабатывающих реактивную энергию.
С точки зрения экономичности электроснабжения, целесообразно приближать компенсирующие устройства к потребителям реактивной энергии. Это важно потому, что линии, соединяющие потребителя с источником реактивной энергии, должны быть рассчитаны на полный ток, представляющий собой сумму (геометрическую) его активной и реактивной составляющих.
Ниже рассматриваются средства компенсации реактивной мощности.
I. Синхронные двигатели. Применение синхронных двигателей в приводе механизмов является одним из наиболее распространенных средств повышения коэффициента мощности потребителя электроэнергии.
Из теории электрических машин известно, что коэффициент мощности синхронных двигателей зависит от режима возбуждения. При недовозбуждении двигатель потребляет, а при перевозбуждении — вырабатывает реактивную энергию. При некотором среднем значении тока возбуждения двигатель потребляет чисто активный ток. В этом случае коэффициент мощности машины cos <φ=1.
В целях рационализации потребления электроэнергии рекомендуется широкое внедрение синхронных двигателей для привода механизмов, где это допустимо по технологическим условиям. В гидромеханизации использование крупных синхронных двигателей позволяет повышать коэффициент мощности целого комплекса электроприемников.
Реактивная мощность, вырабатываемая синхронными двигателями, ограничена их нагрузочной способностью. Промышленность выпускает двигатели, рассчитанные на опережающий коэффициент мощности (обычно cos φопер=0,9). Это означает, что если приводной синхронный двигатель работает в номинальном режиме, т. е. при Р=Рн, ток возбуждения необходимо отрегулировать так, чтобы реактивная энергия, вырабатываемая двигателем, Qc не превышала значения
или
Так синхронный двигатель типа СДН, загруженный до номинальной мощности Рн, при cos φ=0,9 (tg φ=0,485) может нести нагрузку по генерированию реактивной мощности:
т. е. вырабатываемая синхронным электродвигателем реактивная мощность в режиме номинальной нагрузки может достигать почти половинного значения мощности, развиваемой на его валу.
Аналогично рассчитывается предельное значение компенсирующей реактивной мощности, которую двигатель может вырабатывать при нагрузке на его валу, отличающейся от номинальной.
Рис. 14-7. Диаграмма мощностей для потребителя с компенсацией реактивной мощности.
Если синхронная машина не несет механической нагрузки вообще, то ее полная мощность расходуется на генерирование реактивной энергии. Такая работа машины соответствует режиму синхронного компенсатора.
Синхронные компенсаторы допускают плавное регулирование вырабатываемой реактивной мощности в широком диапазоне путем изменения тока возбуждения.
На рис. 14-7 изображена диаграмма мощностей электроустановки с подключенным синхронным компенсатором реактивной мощности. Установка потребляет активную мощность Р и реактивную Q. Полная потребляемая мощность установки S. Потребляемая активная мощность компенсатора раёна нулю, а вырабатываемая реактивная — Qс.к. Общая реактивная мощность при включенном компенсаторе равна:
Полная мощность при этом 
так как φ'<φ, то cos φ′>cos φ.
Промышленность изготовляет машины, специально предназначенные для работы в качестве компенсаторов. Они конструктивно отличаются от двигателей (меньшим воздушным зазором, отсутствием выходного конца вала) и выпускаются на большую мощность, от 10 000 до 50000 квар, при номинальном напряжении— 6600 и 10 500 В.
2. Статические конденсаторы. Использование статических конденсаторов основано на том, что переменный ток, проходящий через емкость, опережает по фазе приложенное напряжение. Основными параметрами, характеризующими конденсаторы, являются номинальное напряжение и реактивная мощность элемента (одного конденсатора).
Конденсаторы общепромышленного назначения выпускаются на номинальное напряжение от 220 до 10 500 В разной емкости и на различную мощность — от 4 до 25 квар. Собственное потребление активной мощности у конденсаторов очень невелико и не превышает 0,005 кВт/квар.
В трехфазных системах электроснабжения конденсаторные батареи включаются обычно треугольником. Защита конденсаторов осуществляется плавкими предохранителями. Применяется индивидуальная и групповая защита конденсаторов. При индивидуальной защите каждый конденсатор защищается собственным предохранителем, групповая — предусматривает защиту нескольких элементов одним предохранителем.
По способу компенсации реактивной мощности статическими конденсаторами различают групповую и централизованную компенсацию.
Групповая компенсация предусматривает подключение конденсаторных батарей параллельно группе электроприемников, например, на шинной сборке цеховой трансформаторной подстанции, на вводе промышленной базы (мастерских) строительства или на высоковольтном присоединении насосной станции либо землесосной установки.
Централизованная компенсация осуществляется подключением батарей к шинам 6000 В главной понижающей подстанции (ГПП) или главного распределительного пункта (ГРП), промышленного предприятия, строительной площадки, участка гидромеханизации с несколькими установками.
В первом варианте компенсации применяют батареи конденсаторов напряжением ниже 1000 В и 6000 В. Во втором — батареи напряжением 6000 В. Особенностью конденсаторов является наличие остаточного (зарядного) напряжения после их отключения. Конденсаторы при отключении должны быть разряжены на активное сопротивление. Для разряда батареи напряжением до 380 В используют лампы накаливания, подключенные наглухо к конденсаторам. При напряжении выше 500 В разрядный контур замыкается на обмотку трансформатора.
На рис. 14-8 показана схема соединения конденсаторной батареи параллельно обмотке высшего напряжения понижающего трансформатора 6000/400 В через общий выключатель нагрузки.
Конденсаторные батареи большой мощности присоединяют к шинам 6000 В через отдельный масляный выключатель.
В этом случае разрядный контур замыкается на обмотку измерительного трансформатора напряжения, предназначенного для приборов учета реактивной энергий (счетчиков).
Рис. 14-8. Схема включения батареи статических конденсаторов напряжением 6000 В.
Конденсаторные батареи устанавливают в отдельных ячейках стационарных распределительных устройств или в специальных шкафах.
Конденсаторные батареи имеют преимущества перед другими средствами компенсации реактивной мощности: простота монтажа и обслуживания (отсутствие вращающихся частей), малое потребление активной энергии. Их недостатки: недостаточная
стойкость к вибрации, вследствие чего они не могут быть применены непосредственно на передвижных устройствах (например, плавучих землесосных снарядах), недостаточная электрическая прочность (срок службы—до 10 лет).
Статические конденсаторы имеют весьма широкое применение для компенсации реактивной мощности на промышленных предприятиях: в последнее время их начали применять также на строительстве и в гидромеханизации в условиях стационарного монтажа.
Таблица 1-3
Двигатели асинхронные на напряжение 380 В 19-го и 11-го габаритов
* РП — устройство для приема и распределения электроэнергии при одном напряжении, без трансформации.
1 Основанием для отнесения гидромеханизации к числу потребителей второй и даже первой категории может служить, например, работа землесосных снарядов в сложных условиях в зимнее время, особо ответственные работы, связанные с водоотливом и др.
1 Полное число часов в году равно 8760.
1 По старому стандарту — до 560 кВ-A включительно. В сетях электроснабжения эксплуатируется большое количество СКТП до 560 кВ-А.
