автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Определение потерь электроэнергии в низковольтных цеховых сетях промышленных предприятий

од

На правах рукописи

ГРАЧЕВА Елена Ивановна

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ в низковольтных ЦЕХОВЫХ СЕТЯХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ

Специальность 05.09.03 - электротехнические комплексы и

системы, включая их управление и регулирование

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1996

Работа выполнена на кафедр« .--электроснабжения промышленных предприятий Московского энергетического института (технического университета).

Научный руководитель - васлуженный деятель науки

и техники РФ

доктор технических наук, профессор Шевченко В. В.

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Глазунов A.A.

- кандидат технических наук, доцент Пуднова U.R.

Ведущее предприятие

ПИ Нлектронроект

Защита диссертации состоится ",15." Й£КЯбрл____ 1996 г.

в аудитории М-214 в<6 час.00 мин. на заседании диссертационного Сонета К ОЬа. 16. 06 Московского энергетического института (технического университета).

Отзывы о работе (ь двух яквемплярах. заверенные печатью) просим присылать по адресу: 111250. Москва.; ул. Краснока-

зарменная, 14, Учёный Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Автореферат разослан НОЖ^ЬЯ- I«« г.

Ученый секретарь

диссертационного Совета К 053.16.06

кандидат технических наук, доцент

Анчарова Татьяна Валентиновна

01ЯЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Одной из основных задач развития современной промышленности наряду с увеличением абсолютных объемов производства ялектроэнергин (ЗЭ) является усиление контроля за ее рациональным использованием. Экономия 33 и снижение расхода на ее передачу но электрическим сетям имеет большое значение для энергетики страны. В нынешних условиях России ири возникновении мелких и средних производств и разукрупнении промышленных гигантов проблема экономии ЭЭ остается весьма актуальной. В настоящее время задача отыскания |)езервов экономии на основе анализа расхода 33 становится особенно важной,тем более, что резервы экономии значительны.

Решение задачи повышения эффективности расходуемой на промышленном предприятии 33 производится с использованием данных о реальном потреблении и о величине потерь ЗЭ в отдельных производственных подразделениях и цехах. Эта информация является первоосновой любого анализа электропотребления и определяет характер мероприятий, проводимых с целью снижения уровня потерь ЗЭ внутри промышленного предприятия.

На данном этапе развития энергетики выдвинуты новые требования к системе учета потерь, определяемые, в основном, сложившимися трудностями но выявлению параметрической и режимной информации о сети.

Цеховые сети напряжением О.4 кВ отличаются от сетей более высоких напряжений наименьшей достоверностью и полнотой исходной информации. Известные в настоящее время методики определения потер!. в низковольтных сетях имеют большие погрешности расчетов и не удовлетворяют современным требованиям. Вместе с тем существует необходимость точного определения потерь ЗЭ в цеховых сетях.

Целью раСюты является исследование закономерностей влияния параметров системы цехового электроснабжения в процессе ее функционирования на величину потерь да и разработка математических моделей, позволяющих провести анализ составляющих потерь ЭЭ и достаточно просто с приемлемой достоверностью результатов оценить величину потерь ЭЭ в цеховых сетях.

В соответствии с целью работы в ней решаются следующие за-

1

- 4 -

дачи:

- выявление основных закономерностей влияния параметров сетей цехового ?1лект[к)с.11,'Жжения на величину погрешности определения потерь Зй;

- аналии современник методов расчета потерь НЕ» в цеховых сетях;

- предложение классификации но потерям ЭЭ в контактах ниа-ковольтных коммутационных аппаратов;

- выявление зависимости величины сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях. от номинальных данных аппаратов:

- получение математических моделей для определения эквивалентного сопротивления цеховых сетей;

- разработка методики расчета потерь ЭЭ в цеховых сетях промышленных предприятий.

Методы исследования. , Исследования, приведенные в диссертационной работе, базируются на использовании методов математического моделирования. теории электрических цепей, статистической теории погрешностей. Программное обеспечение выполнено на алгоритмическом языке FORTRAN-7? применительно к IBM те.

Научная новизна работы может быть сформулирована следующими положениями:

1.Предложена классификации коммутационных аппаратов, применяемых в цеховых сетях низкого напряжении, в зависимости от конструктивных особенностей аппаратов.

2.На основании экспериментальных данных получены аналитические и графические зависимости величины сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов от их номинальных параметров.

У.Ранрайотанн математические модели и построены номограммы для определения якьивалентного сопротивления цеховых сетей.

4.Разработана методика определения потерь ЭЭ в цеховых сетях.

Практическая значимость работы.

Разработанные аналитические и графические зависимости . позволяют определять сопротивления низковольтных коммутационных аппаратов И 9ПИИСИМ0СТИ ОТ ИХ HOMHHtUltiHMX данных.

Разработанные математические .модели и номограммы понволяют

определять эквивалентное сопротивление цеховых сетей различной

конфигурации. • --:■'•

Предлагаемая методика по определению потерь ЭЭ в цеховых сетях низкого налряжения- не требует сложных вычислений в подго: товке исходной информации.

На защиту выносятся.

I.Аналитические зависимости для определения сопротивлений коммутационных аппаратов различных типов.

".Регрессионное модели и номограммы определения эквивалентного сопротивления цеховых сетей различной конфигурации.

. 3.Методика определения потерь -ЭЭ в Цеховых'сетях с учетом основных параметров цехового электроснабжения. "

" Лирр?;м;ин ^абютн.

Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на: научно-технической конференции МШ "Электрооборудование. Электроснабжение. Электропотребление." в г.Москве в 199? г.; итоговой научной конференции казанского филиала МЭИ в г.Казани в 1995 г.; республиканской научной конференции "Проблемы энергетики" в г.Казани в 1996 г.; научных семинарах кафедры электроснабжения промышленных предприятий МЭИ.

Публикации.

По теме диссертационной работы имеется 5 публикаций: ■

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа г »стоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем 188 страниц машинописного текста, 42 рисунка и 21 таблица. Список литературы включает 94' наименования. В приложении приведены номограммы, программа расчетов, акт внедрения результатов работы.

■ СОДЕРЖАНИЕ РАГОТН

Во введении обосновывается актуальность проблемы определения потерь ЭЭ в низковольтных цеховых сетях промышленных предприятий, дается краткая характеристика и формулируется цель работы. ■

В первой м главе приводится характеристика технических особенностей систем цехового электроснабжения. • Определяются основные направления и ■лчд.ччи исследования.

1

- к -

Представлен анализ расчетного и экспериментального способов определения потерь 39 в линиях цеховой сети.

Установлено, что отсутствие достоверной информации о параметр«/ цеховых сетей низкого напряжении и неучет факторов, определяющих зги параметры, ведет к большим погрешностям при вычислении потерь ЭЭ.

Как показали исследования, при расчетном способе определения потерь ЭЭ в линиях цеховых сетей необходимо наличие информации о следующих величинах:

1.точном значении длин линий цеховых сетей;

2.температуре нагревания проводников, обусловленной токовой нагрузкой провода и температурой окружающей среды;

3.сопротивлении контактных соединений коммутационных аппаратов и их числа;

4.данных о графике нагрузки.

Для определения сопротивления линии цеховой сети предлагается испольаовать выражение

1Ы(9-9.)Н Е гк (П

где ^- сопротивление 1 метра линии при £0 "С, мОм/м; 1 - длина линии, м;

Ы. - температурный коэффициент увеличения сопротивления. 1/ С; 0 - температура жилы, "С; 90- температура окружающей средн. "С; £ГК - сопротивления контактных соединений и силовых цепей коммутационных аппаратов, мОм.

Во второй главе произведен анализ наиболее {>аспространенных современных методов определения потерь оЯ в цехоных сетях.

Приводится характеристика детерминированных методов расчета потерь Ж. Установлено, что существующие в настоящее время детерминированные методы 1^-.чета не обладают необходимой точностью результатов.

Представлен расчет потерь ЭЭ в цеховой сети различными детерминированными методами с указанием погрешностей расчетов, обусловленных отсутствием достоверной информации об исходных данных и наличием допущений (табл.1).

При исследовании вероятностно-статистических методов расчета потерь энергии устаноълено, что такие методы требуют большого

Таблица 1

Результаты расчета потерь электроэнергии цеховой сети

Метод расчета потери ЗЭ, кВт ч погреп-ность расчета, X причины погрешности

Поэлементный (точный) 2136 0 -

Метод графического интегрирования 1794 - 16 неучет нагревания проводов, неучет сопротивлений аппаратов

По рремени наибольших потерь % 2884 + 34 неточность определения иеличины Г

По методу 2Т К691 + ггя неточность определения дРн5, ДРнм

По среднекнадра- ТИЧННМ НПГрУНКЛМ 1№7 - неучет формн графика нагрузки

По модели (2) 2221 4 4 возможная точность расчетов

количества исходной информации и сложных математических вычислений, что эатрудняет их применение в случае выполнения многовари-антньх расчетов.

Третья глава посвящена экспериментальному определению сопротивлений контактных соединений низковольтных коммутационных аппаратов.

Предложена следующая классификация аппаратов по конструктивным особенностям:

- аппараты, имеющие кроме силовых контактов в силовой цепи добавочные элементы (датчики тепловых реле, катушки максимальных реле) - автоматические выключатели, магнитные пускатели, контакторы;

- аппараты, имеющие относительно большое сопротивление силовой цепи - предохранители;

- аппараты, имеющие только переходное сопротивление контактов - рубильники, пакетные выключатели.

Исследовано влияние на значение эквивалентного сопротивления коммутационных аппаратов таких величин как тип тока (переменный или постоянный), аначение этого тока и времени его вов-действия.

По результатам экспериментальных данных выявлено, что сопротивление силовой цепи аппарата изменяется в зависимости от вышеперечисленных факторов в пределах +5 7.. Поэтому для исследования сопротивлений силовых цепей аппаратов принята схема измерений ни 1кхл'Оинном токе.

В результате эксперимента установлено, что сопротивления различных групп нлементон силовой ципи аппарата подчиняются общим для каждой группы закономерностям изменении. При этом сопротивление болтовых присоединений подключения аппарата кабелем составляет незначительную долю в оГадем сопротивлении аппарата.

Основное сопротивление аппаратов включает в себя сопротивление следующих алиментов:

1.контактной группы;

¡¿.датчика теплового реле;

'¿.катушки максимального реле.

В результате исследований установлены аналитические и графические зависимости сопротивлений контактных соединений коммутационных аппаратов от их номинальных данных (табл.2, рис.1).

Таблица 2

Аналитические зависимости с.ощютивлений коммутационных аппаратов от номинального тока

Тип пределы измене- вид аналитической

аппарата ния номинально- зависимости со-

го тока противления от

номинального тока

1„< 70 А R -------

Магнитные 1м

пускатели 760

!н > 70 А R - -

1н

Автоматические 349

выключатели и 1н< 60 А R = -

контакторы 1н

307

«) А R = ——

1«

125

Предохранители для любых 1н R = -

1н

Рубильники и 68

пакетные для любых !н R = -

выключатели «н

R.mQM

пакетные Ьыклтчателк

руби/\ьннки

50 100 150 200 250 1м, А

Рис.1

5

к

В четвертой главе приводится методика определения потерь ЭЭ в цеховых сетях низкого напряжения. Оценивается эффективность предложенного способа расчета. Дается анализ существующих в литературе рекомендаций по определению эквивалентного сопротивления цеховых сетей.

Решается задача выявления зависимости эквивалентного сопротивления цеховых сетей Из от основных параметров цехового электроснабжения с использованием теории планирования эксперимента.

Оценка значимости влияющих на факторов позволила выделить пять основных.

Для радиальных участков сетей такими факторами являются:

1) х, - количество линий сети;

г) хг - средняя длина линий сети;

3) х3 - сопротивление 1 метра линии эквивалентного сечения при 20 "С м;

4) х4 - квадрат среднеквадратичного коэффициента загрувки линий сети;

б) х5 - температура окружающей среды.

По значению номинального тока линии вычисляется сопротивление коммутационных аппаратов, принятых к установке на линии данного сечения, по данным табл.2.

Предварительно для качественного определения вида связи (линейная иди нелинейная) между результативным и факториальными признаками в плоскости последних построены корреляционные поля точек, из анализа которых сделан вывод о том, что зависимости эквивалентного сопротивления от рассматриваемых обобщенных характеристик близки к линейным в заданных пределах исследования.

Для реализации поставленной задачи по выявлению функциональной зависимости эквивалентного сопротивления от обобщенных характеристик цеховой сети применен дробный факторный эксперимент типа 25"' с генерирующим соотношением ху - х, • хг- х^- .

После исключения незначимых коэффициентов и проверки адекватности уравнение регрессии имеет вид:

У - 6.59 + 3.74Х, - 2.23ха - З.68х3 + 0.?гх„ + 0.51ху -

- 1.30х,хг - 2.07х< х5 + 0.49х,х4 + 1.25хах3 - 0.40хгх^ -

- 0.46х3хч + 0.79х,х}

После перевода кодированных значений факторов в именованные выражение для определения эквивалентного сопротивления радиальных сетей в окончательном виде: '

R3(p) - 5.76 4 0. 144lCp - 73.2гГ( - 10.4r3¿0 + l.'95k| -- 0.0290. + 157п' гэго - 0.69aitpri" - 2.731срГз20+ 0.014kMcp -- 35.2ki n'- 99.8kj гэго + 0.12k?8o

(3)

где ltp - средняя длина линий цеховой сети, м; п - количество линий сети;

гпо- сопротивление 1 метра линии эквивалентного сечения при при 20 "О. мОм/м.

здесь 1¿, s¿ - длина и сечение i-ои линии сети;

к?" - квадрат среднеквадратичного коэффициента вагруаки ли-

а v '

нии;

©о - температура окружающей среды, "0.

Согласно уравнению регрессии построены номограммы, позволяющее определять эквивалентное сопротивление цеховых, радиальных сетей в зависимости от средней длины линий, их загрузки, температуры окружающей среды. Кроме вышеперечисленных величин эквивалентное сопротивление является функцией суммарного сечения s п линий сети. На рис.?. представлены номограммы для определения эквивалентного сопротивлении радиальных сетей при средней длине линий 50. 150, 200 метров и температуре окружающей среды 5, 20, 35 "С.

Для магистральных участков сетей, линии которых выполнены шинопроводами. факторами, определяющими якнивапентное сопротивление приняты:

1) х, - суммарная длина шинопровода:

?.) Xj - количество присоединенных к шинопроводу приемников;

3) xs - сопротивление 1 метра шинопровода;

4) х, - квадрат коэффициента загрузки шинопровода;

5) xs - температура окружающей среды.

6 s

A

3 2 f D

1k <2 Ю 8 б

2 0

21 {в 15 12 в 6 Ъ О

Вэ,мОм

(S-n)MMz

йэ.мОм

500

1Û00

1500

Pc? s /25М 6o - 20°C

HJ--0.7

Ki = Q-3

а") мм

Яэ,мОм

50D

fOOQ

/500

tcpi:200M

9«.*i- 35* С

XyO. 1

Куй.ъ

(SH)mm1

50Q Рис.2

i ООО

/500

Эквивалентное сопротивление шинощювода предлагается определять по выражению:

Сг101 1/6 С1+п~<) (2+п') + гп И+Ы. (в -90)] + гк /п

(4)

где г - сопротивление 1 метра шинопровода при 20°С, мОм/м; 1 - длина шинопровода, м;

п - количество приемников, присоединенных к шинощюводу гп - сопротивление провода ответвления от шинопровода к приемнику ЭЭ, мОм;

гк - сопротивление коммутационного аппарата ответвления,

мОм;

в - температура шинопровода,

температура окружающей среды, *С. В результате проведенных вычислений уравнение регрессии примет вид:

У - 5.1а + 1.19х, - 0.74X3. - 2.7Ях3 0.«нхч+ О.ГСх,. -- О.Ов'Зх^ - 0.41Х, + 0.15х,хч - 0.31х, х? + 0.24х^ + + 0.18х3х1) - 0.18Х ху

(5)

После перевода кодированных значений факторов в именованные выражение для определения эквивалентного сопротивления магистральных сетей в окончательном виде:

кЭ(м) = 8.47 + 0.1471 - И.7гГ' - 27.6гго~ 5.83к* + 0.08861,- 0.1641п* - 0.8921гао+ 0.0221 к^ + 22.8к| гГ* + в,29гЯок| -- 0.2080« г1о

(6)

где 1 - суммарной длина шинопровода,м; п - количество присоединенных к иинопроводу приемников; г1о- сощютивление 1 метра шинопровода при 20" О, мОм/м; к|- квадрат коэффициента нагрузки шинощювода;

температур окружающей среды, г:. На рис.« представлены номограммы дли определения эквивалентного сопротивления магистральных сетей.

Для определения эквивалентного сощютивления смешанных схем Кцсн) выделяются радиальные и магистральные участки цеховых сетей с тем, чтобы воспользоваться соотношением параллельного

б

5 А 3 2 / О

7

6

5 А

3

2 <

Q

7

6 5

3 2 f О

ЙамОм

/■¿3=0.8

(5 л) мм1

íaoo 2000 й^мОм

3000 4000 5000 6000 700Q

(Usa м

e.s2o*c

«3=0.5

(5 a) мм1

(ООО

&э,мОм

2DQD 3000 4000 5000 6000 7000

£.= 5Qm 8.= 35'С

V-0-5

н2=0.в

(5 П.) мм1

<000 2000 3000 400 О 5000 6000 7000 Рис.3

соединения:

R3(p)'R3(M)

КЭ(см)--:---С)

Для проверни точности моделей регрессионных вависимостей (2),(5) был проведен поэлементный расчет потерь мощности для 30 радиальных, магистральных и смешанных схем. При этом рассчитывались " потери мощности в (каждой линии для сетей и участков радиального исполнения и к результате их суммирования определялось эквивалентное сом^ггиилент; сети. Дли магистральных участков схем, выполненных шинопроводами. потери мощности рассчитывались для каждого участка шино(Ц>овода между двумя соседними приемниками 39 и на основании суммарных потерь определялось эквивалентное сопротивление.

Расчеты но определению эквивалентного сопротивления реализованы с помощью программы на алгоритмическом языке F0RTRAN-77. Результаты р'ючетшл иодтиердили приемлемость применения регрессионных моделей для определения эквивалентного сопротивления цеховых сетей различной конфигурации. Погрешность расчетов не превысила 1 5 X (табл.1).

ЗАКЛЮЧЕНИИ

В заключении приведены основные выводы по работе.

1.Показано, что для решения задач по определению потерь 33 н низковольтных цеховых сетях промышленных предприятий необходим учет таких параметров как сощютивлеиие коммутационной аппаратуры цеховых сетей, температура окружающей среды и температура нагревания проводников.

2.Проанализировано, что существующие в настоящее время методы определения потерь в цеховых электрических сетях не имеют достаточной точности и требуют больших трудозатрат в подготовке исходной информации.

3.Рекомендовано для выявления функциональной зависимости величины эквивалентного сопротивления цеховых сетей от основных параметров электрооборудования использовать теорию планирования эксперимента.

4.На основании экспериментальных исследований получены аналитические и графические зависимости для определения значений сопротивлений коммутационных аппаратов в функции их номинальных параметров.

5.Разработаны регрессионные модели, номограммы и программа расчета, позволяющие определять эквивалентное сопротивление цеховых сетей различной конфигурации.

6.Раэработала методика по определению потерь ЗЭ в цеховых сетях, не требующая сложных вычислений в подготовке исходной информации и имеющая точность + 5 1.

Основные положения диссертации отражены в следухадих публикациях:

1.Шевченко В.В., Грачева Е.И. Расчет потерь электроэнергии в цеховых сетях // Науч.-техн.конф. МЭИ: Тез.докл. - М., 1995,-с.35.

2.Шевченко В.В., Грачева Е.И. Анализ методик расчета потерь электроэнергии во внутризаводских сетях электроснабжения // Леп.в ВИНИТИ РАН, М.,1995, N3, с.50.

3.Грачева Е.И. Вероятностно-статистические и детерминированные способы расчета потерь электроэнергии в нивковольтных сетях промышленных предприятий // Науч.-техн.конф. КФ МЭИ: Тез.докл. - Казань, 1995. с.9-10.

4.Грачева Е.И. Расчеты потерь энергии в распределительных сетях низкого напряжения // Республиканская науч.-техн.конф. "Проблемы энергетики": Тез.докл. - Казань, 1996. с.41-42.

5.Шевченко В.В., Грачева Е.И. К расчету потерь электроэнергии в цеховых сетях// - Промэнергетика. - 1996,- N7. с.27-28.

Подписано к печати Л- /у»?

Печ. л. Тираж ¿00 «акав Ь"т

Типография МЭИ. Красноказарменная,