Глава I
СОВРЕМЕННЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЮ В СЕЛЬСКОМ ХОЗЯЙСТВЕ
Исходя из того, что под электроснабжением следует понимать целый комплекс сооружений, технических средств и различных организационных мероприятий, от которых зависит подача электроэнергии непосредственно к токоприемникам, проблема экономичного и качественного электроснабжения в настоящее время является весьма сложной.
Основными эксплуатационными параметрами считаются напряжение, частота, надежность и общий коэффициент полезного действия всех звеньев цепи электроснабжения. Когда потребители снабжаются наилучшим образом, то в этом случае говорят об оптимальном электроснабжении.
Если экономичность и качество электроснабжения рассматривать применительно только к одному основному звену — линии электропередачи (ЛЭП), то и в этом случае определение «оптимизация» является достаточно емким. Например, линия последовательно проходит этапы: проектирования, сооружения, неполной загрузки, нормальной загрузки, перегрузки и реконструкции. Но какой бы из этих этапов мы не рассматривали, понятие оптимизации везде должно оставаться определяющим.
Поскольку затрагивается большой круг вопросов, то на современном уровне развития энергетики, даже оснащенной новейшими техническими средствами, осуществлять оптимальную электропередачу во многих случаях оказывается практически невозможно. К настоящему моменту накопился солидный научный материал по улучшению сельского электроснабжения, который освещает эту тему с различных позиций и рассматривает многие актуальные вопросы. Например, И. А. Будзко, A. Г. Захарин, Л. Е. Эбин, М. С. Левин дают общие теоретические разработки по сельскому электроснабжению; B. Г. Прищеп, Л. А. Солдаткина исследуют режимы напряжения; А. Н. Андрианов, Д. Н. Быстрицкий рассматривают вопросы надежности; Н. М. Зуль, К. М. Поярков затрагивают вопросы автоматизации сельского электроснабжения; В. К. Плюгачев, И. М. Динабургский ведут исследования возможности увеличения пропускной способности сельских ЛЭП; В. Ю. Гессен, В. В. Губанов изучают электроснабжение по упрощенным линиям и т. д.
Приведенная в конце данной книги библиография свидетельствует о большой и серьезной научной работе в области сельского электроснабжения. По этой причине авторы ограничились весьма узкой задачей — рассмотреть принципиальную возможность оптимизации сельского электроснабжения с позиций применения совмещенных электромагнитных устройств. Под совмещенными устройствами понимаются конструкции, объединяющие разнотипные электрические машины и аппараты с целью получения необходимых регулировочных возможностей, преобразовательных свойств и характеристик. Поскольку в определение «оптимизация» входят вопросы поддержания качественного напряжения, обеспечения нормативного коэффициента мощности и повышения надежности, необходимо подробнее рассмотреть эти понятия.
ЗНАЧЕНИЕ КАЧЕСТВА НАПРЯЖЕНИЯ
Основным показателем качества напряжения является величина его отклонения от номинального значения. При этом номинальным значением напряжения считается такое напряжение приемника электрической энергии, при работе с которым может быть получен максимальный технический и экономический эффект.
Установлено, что разница между напряжением у потребителя и номинальным напряжением, на которое рассчитан приемник, должна быть не более ±5% в городских электрических сетях и — 10+7,5% в сельских. Такое различие обусловливается отклонениями и колебаниями напряжения в распределительных сетях.
Отклонением напряжения от номинального значения можно назвать разницу между напряжением у потребителя и номинальным напряжением приемника, величина которой остается почти неизменной достаточно длительное время.
Колебаниями напряжения называются кратковременные, быстро проходящие изменения уровня напряжения.
Отклонения пли колебания напряжения в сети δU могут быть выражены в процентах от номинального напряжения по формуле:
(1)
где Un — действительное значение напряжения у приемника электрической энергии;
Uн — номинальное значение напряжения.
Отклонения напряжения в потребительских распределительных сетях вызываются тремя основными факторами: параметрами сети (ее конфигурацией и электрическими сопротивлениями отдельных участков),
характером распределения присоединенных нагрузок потребителей и режимом системы, питающей сеть.
Колебания напряжения происходят, как правило, от изменений нагрузки отдельных сельскохозяйственных потребителей в зависимости от технологии производства.
Отклонение напряжения от номинального ведет к ухудшению к. п. д. и уменьшению срока службы приемников электрической энергии. Так, снижение напряжения у асинхронных электродвигателей на 10% вызывает уменьшение вращающего момента пропорционально квадрату напряжения, то есть на 19%. Скольжение увеличивается на 27,5%, что заметно снижает число оборотов электродвигателей и исполнительных механизмов, ток ротора увеличивается на 14%. Ток статора при работе с напряжением на 10% меньше номинального увеличивается примерно на 10 %. Все это отрицательно сказывается на к.п.д. двигателей, сроке их службы и работе пускозащитной аппаратуры. Кроме того, возрастание тока при понижении напряжения ведет к дополнительному нагреву линии, трансформаторов и генераторов, питающих силовую нагрузку, вызывая в них дополнительные потери энергии.
Снижение напряжения у ламп накаливания на 2% по сравнению с номинальными значениями вызывает уменьшение их светового потока на 6,7%, а у люминесцентных ламп на 2,8%. При значительном (порядка 20—30%) снижении напряжения зажигание газоразрядных ламп, в том числе и люминесцентных, становится невозможным.
Повышение напряжения сопровождается увеличением потребления реактивной мощности, что ведет к снижению соs φ. Установлено, что при повышении напряжения на 10% У группы потребителей со смешанной нагрузкой потребляемая реактивная мощность возрастает приблизительно на 35%. У асинхронных двигателей повышение напряжения на 1 % вызывает увеличение реактивной мощности на 3%, у сварочных агрегатов на 2,5% и у выпрямительных агрегатов на 2,5-3%.
При повышении напряжения резко снижается срок службы ламп накаливания. Так, при напряжении выше номинального на 10% срок службы ламп составляет в среднем примерно 290 часов, а при напряжении больше номинального на 20% — только 85 часов, против 1000 часов работы в нормальных условиях.
Если отклонение напряжения у потребителей, присоединенных к распределительной сети, не выходит за пределы, определенные правилами устройства электроустановок, то такую электрическую сеть принято считать правильно спроектированной и отвечающей своему назначению.
До недавнего времени оценка качества напряжения у потребителей за какой-либо продолжительный период времени производилась по наибольшим отклонениям напряжения, возникающим в наиболее неблагоприятные моменты времени в самой близкой и самой удаленной от источника питания точках сети.
Однако ущерб, наносимый потребителям отклонением напряжения, зависит не только от его величины, но и от продолжительности.
Если большое по величине, но кратковременное по продолжительности отклонение напряжения может и не принести потребителю существенных неприятностей, то малое по величине, но длительное отклонение напряжения может нанести значительный ущерб. Кроме того, при определении убытков, получаемых из-за низкого или повышенного напряжения, следует учитывать также удельный вес потребителей (по мощности), работающих при определенном расчетном отклонении напряжения.
Поэтому необходимо стремиться к созданию наилучших условий работы для основной массы потребителей, возможно даже за счет ухудшения качества напряжения у небольшого числа удаленных приемников электрической энергии. Такая оценка качества напряжения имеет более определенный экономический смысл.
Французский ученый Айере ввел понятие экономической невыгодности при напряжении, отличном от номинального, то есть дал количественную оценку качества напряжения. Под экономической невыгодностью понимается ущерб, исчисляемый в денежных единицах, который наносится при работе потребителей с напряжением, отличным от номинального.
Для общего случая величина экономической невыгодности может быть определена по формуле:
Однако нельзя не отметить, что при определении качества напряжения следует учитывать также несинусоидальность напряжения и его несимметрию. Дело в том, что с каждым годом в распределительных сетях возрастает удельный вес однофазных потребителей электрической энергии. При этом фазы загружаются неравномерно и это может привести к несимметрии напряжения. Кроме того, в сетях возможны нагрузки с несинусоидальной формой кривой тока и резко переменные во времени. В подобных случаях появляются токи и напряжения обратной и нулевой последовательности, а также колебания более высоких частот — высшие гармоники токов и напряжений. Поэтому в таких сетях величины отклонений и колебаний напряжения не могут характеризовать в достаточной мере режимы работ электроприемников.
Таким образом, качественное напряжение у потребителей является важнейшим экономическим фактором, и, следовательно, его обеспечение является первостепенной задачей сельского электроснабжения.
