М 2 Лекция 3

Лекция 3. Определение электрических нагрузок. Расчет токов КЗ до 1 кВ
1. Теория расчета электрических нагрузок
2. Расчет электрических нагрузок по средней мощности и коэффициенту
максимума.
3. Общая методика расчета токов.
4. Рекомендации при расчете токов.
1.Теория расчета электрических нагрузок
Теория расчета электрических нагрузок, основы которой сформировалась в
1930–е годы, ставила целью определить набор формул, дающих однозначное
решение
при
заданных
электроприемниках
и
графиках
(показателях)
электрических нагрузок. В целом практика показала ограниченность подхода
«снизу
вверх»,
опирающегося
на
исходные
данные
по
отдельным
электроприемникам и их группам. Эта теория сохраняет значение при расчете
режимов работы небольшого числа электроприемников с известными данными,
при сложении ограниченного числа графиков, при расчетах для 2УР.
В 1980–1990 гг. теория расчета электрических нагрузок все в большей
степени придерживается неформализованных методов, в частности, комплексного
метода расчета электрических нагрузок, элементы которого вошли в «Указания по
расчету электрических нагрузок систем электроснабжения» (РТМ 36.18.32.0289).
Вероятно, работа с информационными базами данных по электрическим и
Технологическим показателям, кластер анализ и теория распознавания образов,
построение вероятностных и ценологических распределений для экспертной и
профессиональнологической оценки могут решить окончательно проблему
расчета электрических нагрузок на всех уровнях системы электроснабжения и на
всех стадиях принятия технического или инвестиционного решения.
Формализация расчета электрических нагрузок развивалась все годы в
нескольких направлениях и привела к следующим методам:1) эмпирический
(метод коэффициента спроса, двухчленных эмпирических выражений, удельного
расхода электроэнергии и удельных плотностей нагрузки, технологического
графика);2) упорядоченных диаграмм, трансформировавшийся в расчет по
коэффициенту расчетной активной мощности;3) собственно статистический;4)
вероятностного моделирования графиков нагрузки.
2.Расчет
электрических
нагрузок
по
средней
мощности
и
коэффициенту максимума
Метод коэффициента спроса наиболее прост, широко распространен, с него
начался расчет нагрузок. Он заключается в использовании выражения (2.20): по
известной (задаваемой) величине Ру и табличным значениям, приводимым в
справочной литературе.
Величина Кс принимается одинаковой для электроприемников одной группы
(работающих в одном режиме) независимо от числа и мощности отдельных
приемников. Физический смысл — это доля суммы номинальных мощностей
электроприемников, статистически отражающая максимальный практически
ожидаемый и встречающийся режим одновременной работы и загрузки
некоторого неопределенного сочетания (реализации) установленных приемников.
Приводимые справочные данные по Кс и Кп соответствуют максимальному
значению, а не математическому ожиданию. Суммирование максимальных
значений, а не средних неизбежно завышает нагрузку. Если рассматривать любую
группу ЭП современного электрического хозяйства (а не 1930–1960х гг.), то
становится очевидной условность понятия «однородная группа». Различия в
значении коэффициента – 1:10 (до 1:100 и выше) – неизбежны и объясняются
ценологическими свойствами электрического хозяйства.
Правильнее учиться оценивать Кс в целом по потребителю (участку,
отделению, цеху). Полезно выполнять анализ расчетных и действительных
величин для всех близких по технологии объектов одного и того же уровня
системы электроснабжения, аналогичной
Метод
удельного
расхода
электроэнергии
применим
для
участков
(установок) 2УР (второй, третий Уровень Энергосистемы), отделений ЗУР и
цехов 4УР, где технологическая продукция
однородная и количественно
меняется мало (увеличение выпуска снижает, как правило, удельные расходы
электроэнергии
А).
Максимальная
мощность
в
реальных
условиях
продолжительная работа потребителя не означает постоянство нагрузки в точке ее
присоединения на более высоком уровне системы электроснабжения. Как
статистическая величина Луд, определяемая для какого–то ранее выделенного
объекта по электропотреблению А и объему Л, есть некоторое усреднение на
известном, чаще месячном или годовом, интервале. Для выбора трансформаторов
ЗУР можно принять Рср = Рмах. В общем случае, особенно для 4УР (цеха),
необходимо учитывать Кмах в качестве Т принимать действительное годовое
(суточное) число часов работы производства с максимумом использования
активной мощности.
Метод удельных плотностей нагрузок близок к предыдущему. Задается
удельная мощность (плотность нагрузки) у и определяется площадь здания
сооружения или участка, отделения, цеха (например, для машиностроительных и
металлообрабатывающих
цехов
у
=
0,12...0,25
кВт/м2;
для
кислородноконвертерных цехов у = 0,16...0,32 кВт/м2). Нагрузка, превышающая
0,4 кВт/м2, возможна для некоторых участков, в частности, для тех, где имеются
единичные электроприемники единичной мощности 1,0...30,0 МВт.
Метод технологического графика опирается на график работы агрегата,
линии или группы машин. Например, график работы дуговой сталеплавильной
печи конкретизируется: указывается время расплавления (27...50 мин), время
окисления (20...80 мин), число плавок, технологическая увязка с работой других
сталеплавильных агрегатов. График позволяет определить общий расход
электроэнергии за плавку, среднюю за цикл (с учетом времени до начала
следующей плавки), и максимальную нагрузку для расчета питающей сети.
Метод упорядоченных диаграмм, директивно применявшийся в I960 – 1970е
гг.
для
всех
уровней
системы
электроснабжения
и
на
всех
стадиях
проектирования, в 1980– 1990е гг. трансформировался в расчет нагрузок по
коэффициенту расчетной активной мощности. При наличии данных о числе
электроприемников, их мощности, режимах работы его рекомендуют применять
для расчета элементов системы электроснабжения 2УР, ЗУР (провод, кабель,
шинопровод,
низковольтная
аппаратура),
питающих
силовую
нагрузку
напряжением до 1 кВ (упрощенно для эффективного числа приемников всего
цеха, т.е. для сети напряжением 6 – 10 кВ 4УР). Различие метода упорядоченных
диаграмм и расчета по коэффициенту расчетной активной мощности заключается
в замене коэффициента максимума ,всегда понимаемого однозначно как
отношение Рмах/Рср, коэффициентом расчетной активной мощности Ар. Порядок
расчета для элемента узла следующий: 1) составляется перечень (число) силовых
электроприемников с указанием их номинальной PHOMi (установленной)
мощности; 2) определяется рабочая смена с наибольшим потреблением
электроэнергии
и
согласовываются
(с
технологами
и
энергосистемой)
характерные сутки; 3) описываются особенности технологического процесса,
влияющие на электропотребление, выделяются электроприемники с высокой
неравномерностью нагрузки (они считаются по другому — по максимуму
эффективной нагрузки); 4) исключаются из расчета (перечня) электроприемники:
а) малой мощности; б) резервные по условиям расчета электрических нагрузок; в)
включаемые эпизодически; 5) определяются группы
электроприемников,
имеющих одинаковый тип (режим) работы; 6) из этих групп выделяются
подгруппы, имеющие одинаковую величину индивидуального коэффициента
использования а:и/; 7) выделяются электроприемники одинакового режима
работы и определяется их средняя мощность; 8) вычисляется средняя реактивная
нагрузка; 9) находится групповой коэффициент использованияКн активной
мощности; 10) рассчитывается эффективное число электроприемников в группе;
11) по справочным данным и постоянной времени нагрева Т0 принимается
величина расчетного коэффициента Кр; 12) определяется расчетный максимум
нагрузки:
Электрические нагрузки отдельных узлов системы электроснабжения в сетях
напряжением выше 1 кВ (находящиеся на 4УР, 5УР) рекомендовалось определять
аналогично с включением потерь в трансформаторах. Результаты расчетов сводят
в таблицу. Этим исчерпывается расчет нагрузок по коэффициенту расчетной
активной мощности.
Статистические
методы
расчета
электрических
нагрузок
устойчиво
отстаиваются рядом специалистов. Методом учитывается, что даже для одной
группы механизмов, работающих на данном участке производства, коэффициенты
и показатели меняются в широких пределах. Например, коэффициент включения
для неавтоматических однотипных металлорежущих станков меняется от 0,03 до
0,95, загрузки К3 – от 0,05 до 0,85.
Задача нахождения максимума функции Рр на некотором интервале времени
осложняется тем, что от 2УР, ЗУР, 4УР питаются электроприемники и
потребители с различным режимом работы. Статистический метод основывается
на
измерении
нагрузок
электроприемников,
без
линий,
обращения
питающих
к
характерные
режиму
работы
группы
отдельных
электроприемников и числовым характеристикам индивидуальных графиков.
Метод использует две интегральные характеристики: генеральную среднюю
нагрузку PQp и генеральное среднее квадратичное отклонение, где дисперсия DP
берется для того же интервала осреднения. Статистический метод является
надежным
методом
изучения
нагрузок
действующего
промышленного
предприятия, обеспечивающим относительно верное значение заявляемого
промышленным предприятием максимума нагрузки Pi(miiX) в часы прохождения
максимума в энергосистеме. При этом приходится
допускать гауссово
распределение работы электроприемников (потребителей).
Метод вероятностного моделирования графиков нагрузки предполагает
непосредственное
изучение
вероятностного
характера
последовательных
случайных изменений суммарной нагрузки групп электроприемников во времени
и основан на теории случайных процессов, с помощью которой получают
автокорреляционную, взаимно корреляционную функции и другие параметры.
Исследования
мощности,
графиков
графиков
перспективность
работы
работы
метода
электроприемников
цехов
управления
и
большой
предприятий
режимами
единичной
обусловливают
электропотребления
и
выравнивания графиков.
3. Общая методика расчета токов
Стандарт устанавливает общую методику расчета токов в электроустановках
переменного тока напряжением до 1 кВ, необходимых для выбора и проверки
электрооборудования по условиям КЗ, для выбора коммутационных аппаратов,
установок релейной защиты и заземляющих устройств.
Стандарт устанавливает методику расчетов максимальных и минимальных
значений тока при симметричных и несимметричных КЗ, виды которых
определены в соответствии с ГОСТ 26522. Величины, подлежащие расчету, и
допускаемая погрешность их расчета зависят от указанных п. 1.1 целей.
Допускаются упрощенные методы расчетов токов КЗ, если их погрешность
не превышает 10 %. Расчету для выбора и проверки электрооборудования по
условиям КЗ подлежат:1) начальное значение периодической составляющей тока
КЗ;2) апериодическая составляющая тока КЗ;3) ударный ток КЗ;4) действующее
значение периодической составляющей тока КЗ в произвольный момент времени,
вплоть до расчетного времени размыкания поврежденной цепи.
4. Рекомендации при расчете токов.
Для других целей расчету подлежат максимальное и минимальное значения
периодической составляющей тока в месте КЗ в начальный и произвольный
момент времени, вплоть до расчетного времени размыкания поврежденной цепи.
Для целей выбора заземляющих устройств расчету подлежит значение тока
однофазного КЗ.
При расчетах токов КЗ в электроустановках до 1 кВ необходимо учитывать:
1) индуктивные сопротивления всех элементов короткозамкнутой цепи,
включая силовые трансформаторы, проводники, трансформаторы тока, реакторы,
токовые катушки автоматических выключателей; 2) активные сопротивления
элементов короткозамкнутой цепи; 3) активные сопротивления различных
контактов и контактных соединений; 4) значения параметров синхронных и
асинхронных электродвигателей.
При
расчетах
токов
КЗ
рекомендуется
учитывать:1)
сопротивление
электрической дуги в месте КЗ;2) изменение активного сопротивления
проводников короткозамкнутой цепи вследствие их нагрева при КЗ;3) влияние
комплексной
установки,
нагрузки
лампы
электродвигателей
(электродвигатели,
накаливания)
нагрузки
на
ток
превышает
преобразователи,
КЗ,
1,0
если
%
термические
номинальный
начального
ток
значения
периодической составляющей тока КЗ, рассчитанного без учета нагрузки.
При расчетах токов КЗ допускается: 1) максимально упрощать и
эквивалентировать всю внешнюю сеть по отношению к месту КЗ и
индивидуально учитывать только автономные источники электроэнергии и
электродвигатели, непосредственно примыкающие к месту КЗ;2) не учитывать
ток намагничивания трансформаторов;3) не учитывать насыщение магнитных
систем электрических машин;4) принимать коэффициенты трансформации
трансформаторов равными отношению средних номинальных напряжений тех
ступеней напряжения сетей, которые связывают трансформаторы. При этом
следует использовать следующую шкалу средних номинальных напряжений: 37;
24; 20; 15,75; 13,8; 10,5; 6,3; 3,15; 0,69; 0,525; 0,4; 0,23 кВ; 5) не учитывать
влияния асинхронных электродвигателей, если их суммарный номинальный ток
не превышает 1,0 % начального значения периодической составляющей тока в
месте КЗ, рассчитанного без учета электродвигателей.
Токи КЗ в электроустановках напряжением до 1 кВ рекомендуется
рассчитывать в именованных единицах.
При составлении эквивалентных схем замещения параметры элементов
исходной расчетной схемы следует приводить к ступени напряжения сети, на
которой находится точка КЗ, а активные и индуктивные сопротивления всех
элементов схемы замещения выражать в миллиомах.
При
расчете
токов
КЗ
в
электроустановках,
получающих
питание
непосредственно от сети энергосистемы, допускается считать, что понижающие
трансформаторы
подключены
к
источнику
неизменного
по
амплитуде
напряжения через эквивалентное индуктивное сопротивление системы.
При расчете токов КЗ в электроустановках с автономными источниками
электроэнергии необходимо учитывать значения параметров всех элементов
автономной
электрической
системы,
включая
автономные
(синхронные генераторы), распределительную сеть и потребители.
источники