В помощь сельскому электромонтеру - Экономия электроэнергии

§ 1. Общие сведения

Все потребители материально заинтересованы в экономии электроэнергии, так как это способствует снижению затрат на производство продукции. Экономия электроэнергии имеет большое народнохозяйственное значение. Рациональное использование электричества позволяет лучше организовать производство, все народное хозяйство страны.
Существует много возможностей экономии электроэнергии. Назовем главные из них. Надо правильно выбрать напряжение и трассу линии электропередачи, установить трансформаторные подстанции как можно ближе к потребителям, правильно рассчитать мощность трансформаторов, организовать равномерную нагрузку по фазам.
Большое значение как при передаче, так и при потреблении электроэнергии имеет величина коэффициента мощности (cos φ). Чем меньше cos φ, тем больше потери электроэнергии. Если принять, что при коэффициенте мощности, равном единице (cos φ = 1), потери энергии составляют 10%, то при снижении коэффициента мощности наполовину (cos φ = 0,5) потери возрастут в четыре раза, т. е. составят 40%.
Электродвигатель, равно как и любая машина или прибор, отдает в преобразованном виде не всю энергию, которая была получена им, а только часть ее. Отношение величины энергии, которая отдается установкой в преобразованном виде, к величине энергии, которая была получена ею для преобразования, называется коэффициентом полезного действия (к. п. д.).
Поэтому, поделив величину полезной, вторичной мощности, отдаваемой электродвигателем, на величину подведенной к нему первичной мощности, получим к. п. д. электродвигателя

где η — к. п. д.
Р2 — вторичная мощность;
P1 — первичная мощность.
Если бы абсолютно вся электроэнергия преобразовывалась в механическую, то к. п. д. был бы равен единице.
В табл. 28, 29 приводятся значения к. п. д. для некоторых установок и при различных преобразованиях энергии, а в табл. 30 приводятся характерные величины cos - для некоторых видов нагрузки.
Низкий коэффициент мощности потребителей приводит к тому, что увеличиваются общие потери энергии в линиях электропередачи, трансформаторных подстанциях и генераторах на электростанциях.

§ 2. Экономия электроэнергии при эксплуатации осветительных устройств и силовых токоприемников

Коэффициенты полезного действия некоторых машин и устройств

Таблица 29

Коэффициент полезного действия при превращении энергии из одной формы в другую

Характерные величины cos φ для некоторых видов нагрузки

При проектировании осветительных устройств рассчитывается необходимая мощность светильников и их размещение для обеспечения установленных норм освещенности. Но если не содержать осветительные приборы в чистоте, света будет не хватать, и потребуется установка дополнительных светильников или увеличение мощности установленных ламп, что в свою очередь приведет к перерасходу электроэнергии.
Кроме того, на рациональное использование светильников немаловажное влияние оказывает качество напряжения в сети. Если напряжение уменьшится, скажем, на 5%, то сила света снизится на 15—20%, что одновременно приведет к увеличению расхода электроэнергии. На расход энергии оказывает влияние также продолжительность эксплуатации ламп. Если срок службы лампы превышает расчетный, то дальнейшая эксплуатация ее становится неэкономной. Так, после 1000 час использования (горения) удельное потребление лампой электроэнергии достигает 120%. Поэтому при резком потемнении изнутри колбы лампы целесообразно заменять на новые.
Потери энергии вызываются также силовыми токоприемниками: электродвигателями, сварочными аппаратами и другими.
Для улучшения коэффициента мощности потребителей необходимо прежде всего добиваться рациональной эксплуатации электрооборудования.

Экономия электроэнергии при эксплуатации асинхронных электродвигателей достигается главным образом за счет правильного выбора двигателей по мощности и типу. Если двигатель работает с недогрузкой или перегрузкой, его коэффициент мощности (cos φ) снижается.
Работа электродвигателей на холостом ходу или же частые, не вызываемые необходимостью пуски двигателей также резко снижают коэффициент мощности.
Наряду с мероприятиями по улучшению эксплуатации электрооборудования улучшения cose? можно добиться также искусственным путем с помощью специальных компенсирующих устройств — статических конденсаторов, синхронных двигателей и др.

§ 3. Повышение коэффициента мощности с помощью статических конденсаторов

В результате специфики определенного производственного процесса двигатель может работать некоторое время с недогрузкой или даже с перегрузкой. Повышение коэффициента мощности в данном случае достигается с помощью статических конденсаторов, включаемых параллельно к электрооборудованию.
К преимуществам статических конденсаторов перед другими способами улучшения cos φ относятся: несложность эксплуатации, малые потери энергии в самих конденсаторах (не более 0,5%), возможность при необходимости быстро изменять установленную реактивную мощность, возможность устанавливать конденсаторы в различных местах сети, авария с конденсаторами не влияет на работу всей установки.
Суть улучшения cos φ заключается в том, что при низком cos φ в электроустановках возникает избыточный реактивный ток, который является индуктивным. Избавиться от этого индуктивного тока или, как говорят, компенсировать его, можно подачей в электрическую цепь емкостного тока, т. е. тока, имеющего обратный знак по сравнению с индуктивным током. Статические конденсаторы как раз и являются устройством, которое способно создать в электрической цепи емкостный ток.
Статические конденсаторы выпускаются промышленностью в виде банок различных мощностей. В зависимости от необходимого количества мощности, конденсаторы соединяются между собой, образуя батареи.
Статические конденсаторы используются для индивидуальной, групповой и централизованной компенсации реактивной мощности. Индивидуальная компенсация предусматривает установку конденсаторов непосредственно у электродвигателей. В сельском хозяйстве такой способ не применяется. Групповая компенсация предполагает установку конденсаторов для группы электродвигателей. Такой способ находит применение для компенсации реактивной энергии потребителей целых производственных помещений, например, ремонтных мастерских. При централизованной компенсации конденсаторы устанавливаются на трансформаторных подстанциях.
Для выбора мощности конденсаторов следует определить характер нагрузки реактивной мощности.
С этой целью определяется действительный коэффициент мощности по фазометру, непосредственно включенному в сеть и показывающему величину cos φ. При отсутствии этого прибора коэффициент мощности можно найти при помощи амперметра, вольтметра и ваттметра, одновременно включенных в сеть, пользуясь формулой

где Р — активная мощность в трех фазной сети, кВт, U — напряжение, в;
I — ток, а.
Определив ряд мгновенных значений коэффициента мощности, легко находим среднее значение COS φ

т. е. сумму всех мгновенных значений делим на их количество.
Задаемся значением cos φ, который нам требуется получить. Для определения мощности конденсаторов, которые способны улучшить действительный cos φ до требуемого значения, пользуемся табл. 31.

Таблица 31
Определение мощности компенсирующего устройства (квар.), приходящейся на 1 кВт активной мощности

Продолжение таблицы 31

Пояснения к таблице:

Таблица служит для определения потребностей мощности компенсирующей установки при повышении коэффициента мощности предприятия с существующей до заданной величины

Пользоваться таблицей необходимо следующим образом.
Имея действительную величину cos φ предприятия (графа I таблицы) и заданную величину cos φ (графа «Заданные значения cos φ), проводя мысленно горизонтальную и вертикальную линии, проходящие через эти величины, на их пересечении находим величину потребной реактивной мощности для повышения cos при нагрузке предприятия в 1 кВт, до заданной величины. Полученная цифра умножается на действительную активную мощность предприятия для получения полной потребной мощности, компенсирующей установки (повышения cos φ до заданной величины).
При соединении конденсаторов между собой (табл. 106) необходимо знать, что при последовательном соединении конденсаторов общая емкость уменьшается и даже будет меньше емкости любого из соединяемых конденсаторов. 

Рис. 106. Соединение конденсаторов: а) последовательное; б) параллельное.

Рис. 107. Схема включения конденсаторов, улучшающих коэффициент мощности:
а) для индивидуального (единичного) потребителя; б) для групповых потребителей.
Для определения общей емкости применяется формула

(45)
где C1, С2... — емкости отдельных конденсаторов.
Емкость двух последовательно соединенных конденсаторов можно определить по формуле
(46)
Общее напряжение при последовательном соединении конденсаторов будет равно сумме падений напряжения на отдельных конденсаторах:

При параллельном соединении конденсаторов общая емкость будет равна сумме всех соединяемых емкостей:

Напряжение при таком соединении на всех емкостях равно между собой, а следовательно, и общее напряжение равно напряжению на любой из емкостей, т. е.
(48)
При включении конденсаторов в трехфазную сеть в треугольник напряжение на каждой фазе повышается в 3 раза, что приводит к повышению мощности конденсаторной батареи тоже в 3 раза.
Схема включения конденсаторной батареи приводится на рис. 107. В этой схеме к конденсаторам параллельна подключены сопротивления. Эти сопротивления необходимы для разряда конденсаторов. Сопротивлениями для низковольтных конденсаторов служат электрические лампы, а для высоковольтных — индуктивные катушки. Величина сопротивления принимается из расчета, чтобы при отключении конденсаторов напряжение на их обкладках за 1 мин. снижалось до 50 в.
Для улучшения коэффициента мощности применяются силовые (косинусные) конденсаторы КМ, КМВ, КС, КСВ. Емкость конденсаторов различная — от 0,291 до 1120 мкф. Конденсаторы изготовляются на следующие напряжения: 0,22; 0,38; 0,5; 1,05; 3,15; 6,3; 10,5 кВ.