Глава II
ЭЛЕКТРОУСТАНОВКИ
Электроустановками согласно действующим Правилам устройства электроустановок называют установки, в которых производится, преобразуется, распределяется и потребляется электроэнергия.
Установки, производящие электроэнергию, — это электрические генераторы со всеми вспомогательными и обслуживающими их устройствами.
При передаче электроэнергии от генераторов электростанций до места потребления она неоднократно преобразуется при помощи различных устройств. Как правило, при помощи трансформаторов изменяют напряжение. В ряде случаев возникает необходимость в преобразовании переменного тока, получаемого от электростанций, в постоянный ток; это делается при помощи различных выпрямителей (машинных, ртутных, селеновых, электронных и др.). В условиях производства иногда требуется изменить промышленную (стандартную) частоту переменного тока в более высокую частоту. Для этого используют различные высокочастотные установки. Все такие устройства относят к преобразующим электроустановкам.
Поступающая в какой-либо район или на участок электроэнергия распределяется между потребителями и приемниками электроэнергии при помощи распределительных устройств и всевозможных линии передачи и проводок, в целом называемых электросетями. Все эти элементы относят к распределяющим установкам.
К потребляющим относят установки, расходующие электрическую энергию на технологический процесс производства (силовые установки) и культурно-бытовые нужды (осветительные установки). Потребляющие установки — это приемники электроэнергии у потребителей.
§ 4. Приемники и потребители электроэнергии
Приемниками электроэнергии* являются электрические двигатели, всевозможные электрические печи, электролизные ванны, электрические лампы, различные электробытовые приборы и т. п., т. е. все те устройства, при помощи которых электрическая энергия преобразуется в механическую, тепловую, химическую, световую и другие виды энергии, используемые на производстве и в быту.
*Приемники электроэнергии в дальнейшем будем называть электроприемниками.
Основными, общими для всех электроприемников электрическими характеристиками являются: номинальное напряжение, номинальная мощность и номинальный ток.
Номинальная величина — это нормальная рабочая величина напряжения, потребляемой мощности или тока, на которую рассчитаны электроприемники.
Отдельные электроприемники характеризуются также системой тока (постоянный или переменный), числом фаз переменного тока и другими данными.
Потребителями электроэнергии являются предприятия, организации и частные лица, использующие ее в производственных, общественных и культурно-бытовых целях.
Правила устройства электроустановок подразделяют электроприемники в отношении обеспечения надежности электроснабжения на три категории.
1-я категория — электроприемники, нарушение электроснабжения которых может повлечь за собой опасность для жизни людей, значительный ущерб народному хозяйству, повреждение оборудования, массовый брак, расстройство сложного технологического процесса. Для электроприемников 1-й категории допускаются лишь кратковременные перебои питания электроэнергией. Они должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых источников питания, один из которых (резервный) должен быть оборудован устройством автоматического включения в момент прекращения питания от ранее действовавшего источника.
2-я категория — электроприемники, перерыв в электроснабжении которых связан с массовым недовыпуском продукции, простоем механизмов и транспорта, нарушением нормальной деятельности значительного числа городских жителей. Перерыв в электроснабжении электроприемников 2-й категории определяется временем, необходимым для включения оперативным персоналом резервного источника. 3 я категория — все остальные электроприемники, не входящие в 1 и 2-ю категории (например, электроприемники вспомогательных цехов, небольших поселков и т. п.).
Для электроприемников 3-й категории допустимы перерывы в электроснабжении до суток.
§ 5. Режим работы потребителей электроэнергии
Основными характеристиками потребителей являются: суммарная мощность электроприемников, установленных у данного потребителя (установленная мощность);
режим работы.
Установленная мощность Руст равна сумме номинальных мощностей всех электроприемников потребителя.
Режим работы — степень использования потребителем установленной мощности по времени.
Режим работы потребителей электроэнергии непостоянен и меняется в различные часы суток, дни недели и месяцы.
Всех потребителей электроэнергии подразделяют на группы, характеризуемые общностью режима работы:
коммунальные потребители с преимущественно осветительной нагрузкой (жилые дома, учреждения, больницы, театры, уличное освещение и т. п.);
промышленные потребители с преимущественно силовой нагрузкой (электродвигатели, печи и другие установки заводов, фабрик, шахт и т. п.);
транспортные потребители (электрифицированные дороги); сельскохозяйственные потребители.
Нагрузка коммунальных потребителей с преимущественно осветительными электроприемниками крайне неравномерна в различное время суток: небольшая днем, к вечеру она возрастает до максимальной, ночью резко падает, а утром снова возрастает. Суточная нагрузка таких потребителей в зимние и летние месяцы также различна.
У промышленных потребителей с преимущественно силовыми электроприемниками нагрузка довольно равномерна в течение суток и в основном зависит от числа смен на предприятиях и времени обеденных перерывов.
Равномерность нагрузки транспортных потребителей зависит от интенсивности и расписания движения железнодорожных составов.
Рис. 1. Зимний и летний суточные графики активных нагрузок группы электроприемников
Нагрузка сельскохозяйственных потребителей определяется сезонностью сельскохозяйственных работ: зимой и летом нагрузка невелика, весной и осенью значительно повышается.
Изменение нагрузки потребителей по времени изображают графиком нагрузки. На оси абсцисс откладывают время, в течение которого изменялась нагрузка, а на оси ординат — нагрузку (например, в киловаттах) в каждый данный момент времени. Такие графики строят для активных и реактивных нагрузок, выражая мощность в киловаттах (кВт) или киловольтамперах реактивных (квар).
На рис. 1 приведены зимний и летний суточные графики активных нагрузок условной группы электроприемников. Значение активных нагрузок в различные часы суток рассчитывают при проектировании или определяют по регистрируемым (допустим, через каждый час) показаниям измерительных приборов; при этом нагрузку между двумя соседними записями принимают неизменной.
Наибольшую нагрузку потребителя обозначают буквой РмаКс· Площадь суточного графика, выполненного в определенном масштабе, определяет расход электроэнергии Асут в киловатт- часах.
Среднесуточную нагрузку Рср определяют по формуле
Максимальная нагрузка потребителя всегда меньше установленной мощности его электроприемников, так как обычно не все они одновременно находятся в действии и не всегда работают с полной нагрузкой.
При определении максимальной нагрузки потребителя одновременность работы его электроприемников и степень их загрузки учитывают соответственно коэффициенту одновременности k0 и коэффициенту загрузки kз, величины которых обычно меньше единицы. Кроме того, в расчетах учитывают средний к. п. д. всех установленных у потребителей электродвигателей (η).
Максимальную нагрузку потребителя Рмакс рассчитывают исходя из суммарной номинальной мощности всех установленных у него электроприемников и упомянутых выше коэффициентов по формулам:
где kc — коэффициент спроса, учитывающий все три коэффициента, т. е.
Коэффициент спроса может быть также выражен как отношение потребляемой максимальной мощности (нагрузки) к суммарной номинальной мощности всех установленных у потребителя электроприемников, т. е.
Обычно коэффициент спроса меньше единицы: для внутреннего освещения он лежит в пределах 0,4—0,8.
При расчетах пользуются коэффициентами спроса, величины которых получены путем многих замеров соответствующих параметров потребителей. Чем выше установленная мощность, тем ниже коэффициент спроса. Это объясняется следующим: величина установленной мощности потребителя зависит от мощности и числа присоединенных к данной станции электроприемников, а чем больше присоединено электроприемников, тем менее вероятна их одновременная работа и высокая степень загрузки за один и тот же промежуток времени.
§ 6. Режим работы электростанций
Процесс производства электроэнергии на электростанции неразрывно связан с процессом ее потребления электроприемниками. Не может быть производства электроэнергии без одновременного ее потребления.
Объясняется это тем, что производство электроэнергии отличается от любого другого вида производства (промышленного, сельскохозяйственного и т. д.) характерной особенностью: электроэнергию нельзя производить в запас и расходовать из запаса, нет таких аккумуляторов электроэнергии, которые могли бы запасать ее в масштабах потребления современной промышленностью. Таким образом, каждая электростанция в целом и ее отдельные генераторы в любой момент времени вырабатывают столько электроэнергии, сколько ее потребляется в тот же момент.
Количество потребляемой электроэнергии в каждый момент времени равняется сумме, полученной в результате арифметического сложения:
мощностей, затрачиваемых всеми действующими электроприемниками потребителей, присоединенных к данной станции;
мощности, расходуемой на собственные нужды электростанции (на электроосвещение и электродвигатели вспомогательных установок, обслуживающих основные агрегаты станции);
потерь мощности при передаче и распределении электроэнергии (на нагрев проводов электрической сети, обмоток и стали трансформаторов, а также магнитных, индукционных и других потерь).
Следовательно, генераторы электростанций в каждый момент времени должны вырабатывать мощность, достаточную для питания потребителей, удовлетворения собственных нужд и покрытия потерь в сетях. Весь этот расход электроэнергии определяет режим работы электростанции. Причем график нагрузки электростанций составляется из суммы нагрузок всех присоединенных потребителей плюс собственный расход электроэнергии и потери ее в сетях.
Расход электроэнергии на собственные нужды электростанции и потери ее в сетях составляют относительно небольшую и достаточно равномерную (постоянную) нагрузку. Основное влияние на режим работы станции имеет расходование энергии потребителями, режим работы которых зависит от характера их нагрузок.
Колебания кривой суточного графика нагрузки электростанции всегда будут более равномерны, чем у отдельных групп потребителей. Чем разнохарактернее нагрузки потребителей, тем равномернее режим работы электростанции. Чем равномернее нагрузка электростанции, тем полнее и равномернее используются ее агрегаты.
Таким образом, чем равномернее график нагрузки электростанции, тем выше ее к. п. д., экономичнее работа и дешевле производимая ею электроэнергия.
Экономичность работы электростанции зависит также от степени использования за сутки мощности установленных на ней генераторов и определяется коэффициентом использования установленной мощности kи (обычно Аи < 1):
где Рср — средняя нагрузка по суточному графику, кВт.,
Руст — суммарная мощность установленных на станции генераторов, кВт.
Коэффициент использования установленной мощности показывает, во сколько раз фактически произведенное за данные сутки количество энергии меньше того количества, которое могли бы произвести генераторы этой электростанции за то же время, если исходить из их номинальной мощности.
Поэтому чем ближе значение kи к единице, тем меньше генераторы станции работали с недогрузкой, а следовательно, тем выше ее экономические показатели.
Контрольные вопросы
- Какие электроустановки называют производящими, преобразующими, распределяющими и потребляющими электроэнергию? Приведите примеры всех этих электроустановок.
- Что называется приемниками и потребителями электроэнергии, чем они характеризуются?
- На какие категории подразделяются электроприемники в зависимости от требований надежности их электроснабжения?
- Что такое режим работы потребителей? Назовите основные группы потребителей, характеризуемых общностью режима работы.
- Для чего и по каким данным составляются суточные, месячные и годовые графики нагрузок? От чего зависит форма кривой графика?
- Почему максимальная нагрузка потребителей всегда меньше установленной мощности их электроприемников, что такое коэффициенты спроса и загрузки, когда они учитываются?
- От чего зависит количество электроэнергии, вырабатываемой на электростанциях в каждый момент времени?
- По каким показателям определяется экономичность работы электростанций, от чего зависит к. п. д. станции?
