Мероприятия по снижению потерь энергии подразделены на две группы: к первой относятся технические решения, предусматриваемые в проектах электроснабжения и электрооборудования, ко второй — мероприятия, осуществляемые в процессе эксплуатации. Из мероприятий первой группы отметим правильный выбор местоположения ТП и ВРУ, выбор оптимальной схемы сети, количества и расположения питающих и распределительных пунктов и щитков внутри зданий, количества отходящих питающих и групповых линий, мероприятия по резервированию и меры по обеспечению надежности, автоматизацию и некоторые другие. Ко второй группе можно отнести мероприятия по повышению пропускной способности сети, прокладку дополнительных параллельных линий или замену существующих проводов и кабелей на проводники большего сечения, перевод сети на более высокое напряжение, в частности с 220/127 на 380/220 В, установку компенсирующих и симметрирующих устройств. Перечисленные мероприятия следует относить к области реконструкции, поскольку они требуют определенных капиталовложений. Ко второй группе относятся и мероприятия, не требующие серьезных капиталовложений: выравнивание нагрузок фаз, выбор оптимальных точек токораздела, частичное изменение схемы и конфигурации сети (без прокладки новых линий), оперативное отключение части трансформаторов в периоды снижения нагрузок, поддержание оптимального уровня напряжения в сети путем регулирования на питающих центрах (под нагрузкой) и сезонного регулирования на ТП, правильная постановка учета энергии, расходуемой потребителями, и т. д.
Отметим, что мероприятия, при которых обеспечивается минимум приведенных затрат, как правило, обеспечивают и наименьшие потери мощности и энергии во всех элементах сети. Остановимся на некоторых мероприятиях и оценим их с точки зрения сокращения потерь в сети, прежде всего внутренней сети зданий.
Очень важное значение имеет правильный выбор местоположения и количества ВРУ и числа отходящих линий. В жилых домах ВРУ надо располагать в секции, ближайшей к питающей ТП. В табл. 6.4 приведены оптимальные количества ВРУ и число отходящих горизонтальных питающих линий. Как показывают расчеты, указанные количества ВРУ и линий обеспечивают не только наименьшие приведенные затраты и капиталовложения, но и более удобные условия эксплуатации и минимальные потери энергии. Сложившаяся практика устройства на каждые две-три секции отдельного ВРУ приводит к перерасходам средств и снижению жилой площади, поскольку ВРУ размещаются на первых этажах жилых домов. Конечно, при проектировании приходится учитывать архитектурно-планировочные и конструктивные решения здания.
Таблица 6.4. Оптимальное количество ВРУ и число отходящих горизонтальных линий для питания квартир
Примечания: 1. Показатели в скобках соответствуют практически равноэкономичным вариантам сети (с превышением приведенных затрат на сеть не более 2—4 %).
- В зданиях высотой до 5 этажей следует устанавливать одно ВРУ.
- Число питающих линий может отличаться от указанного в таблице в зависимости от условий надежности и конструктивных особенностей здания.
При определенных условиях число ВРУ приходится увеличивать, особенно в весьма протяженных многоэтажных зданиях, если эго оказывается выгодным на основании технико-экономических расчетов.
Существенное значение имеет выбор экономичной схемы вертикальных участков (стояков). Число стояков, подключаемых к одной питающей линии ПУЭ, не ограничивается. Однако в домах высотой более 5 этажей при двух и более стояках, присоединенных к одной питающей линии, стояки должны иметь в точке ответвления отключающие аппараты. При подключении к одному стояку более 70—80 квартир в целях повышения надежности целесообразно в каждой секции дома прокладывать два стояка с подключением квартир через этаж или по две квартиры на каждом этаже или более половины квартир (60 %), начиная с 1-го этажа, подключать к одному стояку, а оставшуюся часть — ко второму.
Как правило, в домах высотой до 16 этажей при современном уровне нагрузки (включая дома с электроплитами) выгодно применять один стояк на секцию при числе квартир на этаже до четырех.
Таблица 6.5. Экономичные схемы вертикальных участков (стояков) питающих линий в жилых домах
Примечания: 1. Номера схем стояков, указанные в скобках, соответствуют вариантам сети, практически равноэкономичным по приведенным Затратам, но с несколько большим расходом проводникового материала (на 3—5 %). Однако в зданиях высотой 16 этажей и более схемам, указанным в скобках, следует отдавать предпочтение ввиду их большей надежности.
2. Количество квартир в каждой секции и на каждом этаже принято следующее: односекционные здания — 5—8, дву-десятисекционные здании—3—4,
В некоторых случаях целесообразно использовать схему попарно соединенных стояков (замкнутая сеть со слабой связью), причем номинальный ток расцепителя автоматического выключателя 3 (рис. 6.5) должен быть на две ступени ниже, чем автоматических выключателей 1 и 2.
Рекомендуемые по экономическим соображениям схемы стояков в жилых зданиях приведены в табл. 6.5 и на рис. 6.5, которые, так же как и табл. 6.4, основаны на исследовательских работах, выполненных с применением ЭВМ по специальной методике с учетом ежегодного роста нагрузок.
Существенное значение имеет распределение допустимых потерь напряжения между отдельными участками питающих линий, при котором получаются наименьшие приведенные затраты и потери энергии [14].
В [14] показана также целесообразность устройства в квартирах групповых линий (кольцевых) питания розеток для подключения бытовых электроприборов мощностью до 2,2 кВт. Потери мощности по сравнению с радиальными групповыми линиями снижаются при этом в 2,5—4 раза. Кроме того, по условиям допустимой потери напряжения при радиальной схеме пришлось бы увеличивать сечение проводов. В итоге при кольцевой схеме пропускная способность сети возрастает в 1,5— 2 раза.
Что касается оптимизации электрических сетей общественных зданий, то они пока еще не разработаны до такой стадии, при которой можно было бы получить достоверные математические выражения, пригодные для проектной практики. Поэтому приходится во многих случаях наряду с разносторонней оценкой технических факторов (надежности, безопасности, расхода цветного металла) прибегать к технико-экономической оценке предполагаемых вариантов проектных решений.
Рис. 6.5. Схемы стояков
Рис. 6.6. Зависимость приведенных затрат на сеть 0,38 кВ от отношения смешения ТП от точки оптимума к радиусу зоны обслуживания ТП:
1 — при периметральной застройке микрорайона; 2 — при свободной застройке микрорайона
Вместе с тем можно считать целесообразным:
а) встраивание ТП (КТП) с совмещенным распределительным устройством низкого напряжения и ВРУ здания во всех случаях, когда это разрешено нормами и нагрузки здания равны или близки к мощности устанавливаемых трансформаторов, конечно, при этом должны соблюдаться требования ПУЭ для встроенных ТП;
б) установку одного ВРУ. Количество ВРУ может быть увеличено лишь в крупных зданиях при питании от двух и более ТП;
в) укрупнение питающих линий; однако не следует применять внутри зданий питающие линии на ток более 200 А и вводы на токи боле 600 А по условиям удобства производства монтажных работ;
г) равномерное распределение нагрузок между фазами; разница в токах наиболее и наименее загруженных фаз не должна превышать в пределах одного щитка 30 % и 10 % в начале питающих линий. При больших значениях разности расчет сети следует вести по току наиболее загруженной фазы;
д) расчет четырехпроводных трехфазных сетей питания газоразрядных ламп электрического освещения, который в необходимых случаях [14] должен выполняться с учетом несинусоидальности кривой тока (с учетом третьей гармоники). При этом сечения нулевых проводников принимаются равными сечениям фазных проводников, а допустимые токи для линий, прокладываемых в трубах, коробах и каналах строительных конструкций, должны приниматься по гл. 1.3 ПУЭ как для четырех проводов, проложенных в одной трубе.
Расположение ТП имеет важнейшее значение при проектировании городской электрической сети. Это видно из рис. 6.6, на котором показано влияние смещения ТП от точки оптимума на приведенные затраты.
Из приведенных кривых видно, что при периметральной застройке смещение ТП от точки оптимума сказывается на значении приведенных затрат в меньшей степени, чем при свободной застройке. Методика выбора оптимального места расположения ТП освещена в технической литературе,в частности в [15].
Перевод сетей на повышенное напряжение дает большой экономический эффект. Нормы [18] требуют перевода существующих еще в некоторых городах сетей напряжением 220/127 на 380/220 В. Рассмотрим это мероприятие на конкретном примере.
Пример 6.2. К трехфазной четырехпроводной линии протяженностью 70 м, выполненной кабелем, присоединена электроустановка мощностью 50 кВт, коэффициент мощности cos φ=0,8. Нагрузки фаз одинаковые. Допустимая потеря напряжения ∆Uдоп=5 %. Число часов потерь τ=1000 ч/год. Определить потери энергии в линии при напряжении сети 220/127 В и 380/220 В. Как увеличится пропускная способность линии без изменения сечения?
Решение. Результаты расчетов сведем в табл. 6.6.
При переводе группы домов на 380/220 В обычно в ТП заменяются трансформаторы, а внутри зданий заменяются счетчики, лампы электрического освещения и устанавливаются автотрансформаторы для бытовых приборов, не снабженных переключателями. Конечно, должно быть тщательно замерено сопротивление изоляции проводок и приняты другие необходимые меры по обеспечению электробезопасности.
Повышение качества напряжения является эффективной мерой для обеспечения нормального режима работы сети и электроприемников в зданиях. Качество напряжения зависит от многих факторов, в частности от характера и режима работы электроприемников, баланса реактивной мощности, схемы электроснабжения и режима напряжения в сети высокого напряжения, наличия автоматического регулирования и компенсации реактивной мощности. Как уже отмечалось в гл. 2, нестабильность напряжения приводит к массовому применению автотрансформаторов и стабилизаторов, создающих дополнительные потери энергии, и к преждевременному выходу из строя многих бытовых электроприборов и ламп электрического освещения, особенно ламп накаливания.
Таблицa 6.6. Результаты расчетов
Вместе с тем все еще имеются факты ограничения применения устройств РПН на центрах питания или их отсутствия, в результате чего напряжение в сети в часы наименьших нагрузок повышается на 10—12 % по отношению к номинальному, а в часы максимума снижается, что также ведет к ухудшению работы электроприемников. Положительную роль в снижении потерь напряжения и энергии играют устройства по компенсации реактивной мощности, но они в свою очередь зависят от регулирования напряжения в сети и сами потребляют определенное, хотя и незначительное, количество энергии. Кроме того, конденсаторы дефицитны и применяются главным образом в промышленных установках. Решением Главгосэнергонадзора разрешено не устанавливать аппаратуру по компенсации реактивной мощности в жилых и общественных зданиях за исключением фабрик-прачечных и фабрик химчистки, где компенсационные устройства должны применяться.
Покажем, как увеличиваются потери мощности в зависимости от отклонений напряжения. Если потери активной и реактивной мощности равны соответственно ΔΡηομ и ΔQhom, то при отклонении напряжения от номинального на ΔVηομ, %, потери мощности возрастают и приращение этих потерь составит
где Κ1 и Κ2— коэффициенты, характеризующие изменение потерь активной и реактивной мощности при отклонении напряжения от номинального значения на 1 %.
Из (6.35) следует, что увеличение потерь мощности зависит от характеристик нагрузки и уровня компенсации реактивной мощности.
Значения приращения потерь мощности в зависимости от ∆Vном, К1, K2 и tg φ приведены в табл. 6.7.
Широко применяемая в ряде городов двухлучевая схема городской электрической сети напряжением 6(10) кВ предполагает постоянную передачу энергии по двум кабелям к подстанциям, в которых устанавливаются по два силовых трансформатора. В данном случае в периоды неполной загрузки трансформаторов. При этом необходимая надежность электроснабжения достигается устройством автоматики на отходящих линиях центра питания.
Рассмотрим простейшую двухлучевую кабельную линию 6(10) кВ, к которой присоединены п двухтрансформаторных подстанций и где установлены трансформаторы одинаковой мощности.
Введем следующие обозначения: Sном — номинальная мощность трансформатора, κΒ·Α; Iном—номинальный гок трансформатора, A; Uном — номинальное напряжение, кВ; Рк— потери короткого замыкания в трансформаторе при номинальной нагрузке, Вт; Рх—потери холостого хода трансформаторов, Вт; К=Рк/Рх— отношение потерь в трансформаторе; =S/Sном—коэффициент загрузки трансформатора.
В общем случае протяженности отдельных участков линии между трансформаторами будут различными. В отдельных случаях могут быть различными также сечения и даже проводниковый материал кабелей (рис. 6.7).
Ввиду этого в дальнейшем рассматривается линия, эквивалентная действительной по потерям мощности с одинаковыми сопротивлениями участков гк,эк.
Пусть также коэффициенты загрузки трансформаторов всех подстанций, присоединенных к каждому из лучей, равны между собой и составляют для трансформаторов первого луча в среднем β1, а для трансформаторов второго луча β2.
Как известно, потери мощности в трансформаторах составляют
(6.41)
высокая надежность электроснабжения достигается устройством АВР на стороне низшего напряжения трансформаторов.
.
Рис. 6.7. Двухлучевая кабельная линия 10 кВ
Таким образом, ориентировочно можно считать экономически целесообразным отключение одного луча при загрузке трансформаторов около 25 %. Для более точных расчетов следует пользоваться методологией, приведенной выше.
- Отключение одного луча во всех случаях возможно в ночное время, когда загрузка трансформаторов незначительна. Длительность работы сети в таком режиме составляет до 2000 ч в год.
- Отключение одного луча возможно также и в другие периоды суток, когда загрузка трансформаторов не превышает критической, например в летние дни.
- Сохранение высокой надежности электроснабжения, свойственное двухлучевой схеме, обеспечивается устройством АВР на питающих линиях, так как при этом в случае выхода из строя работающего луча второй луч автоматически включается.
- Коммутационные операции на питающих центрах могут быть легко автоматизированы.
- Как показывают выполненные расчеты, рекомендуемое мероприятие позволит получить значительную Экономию электроэнергии.
Отметим в заключение данной главы достаточно простую методику выбора сечений проводников по экономическим интервалам. Для этого определяем граничные токи, А, исходя из условий равенства затрат для смежных сечений1
и принимая по средним данным Ες =0,22; р = 0,03Х 10-6Ом-м; з"э=0,02 руб/(кВт-ч); b=0,04 руб/(мХмм2); после простых преобразований получаем ток, А,
(6.70)
Ниже для примера приведена табл. 6.11 экономических интервалов для трехфазных четырехпроводных линий, выполненных проводом АПВ-660 и проложенных скрыто в винипластовых трубах. Отметим, что сдвоенные и строенные линии экономических интервалов не имеют.
Таблица 6.11. Экономические интервалы для трехфазных четырехпроводных сетей
В Εν входят нормативный коэффициент, а также затрата на реновацию, ремонт и эксплуатацию, которые принято исчислять в процентах капиталовложений. В рассматриваемых сетях Εν принимается равным 0,22.
Таблицы экономических интервалов могут быть составлены для любых проводок, и пользование ими упрощает вычислительную работу. При обычных методах расчетов целесообразно принимать сечения в пределах указанных экономических интервалов (конечно, с учетом прочих условий — допустимого нагрева, потерь напряжения и т. д.).
