1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ НАГРУЗКИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

1.1. Графики электрических нагрузок

1.2. Общая характеристика и методы определения

1.2.1 Определение электрических нагрузок с помощью коэффициента одновременности

1.2.2 Расчет нагрузок сельскохозяйственных объектов по вероятностным характеристикам

Пример 1.1, Пример 1.2, Пример 1.3, Пример 1.4

Исходные данные к примеру 1.4

Вопросы для самопроверки к модулю 1

Тест к модулю 1

Предмет и цели изучения материала модуля 1

Предметом изучения являются электрические нагрузки. Основой рационального решения комплекса вопросов, связанных с проектированием и эксплуатацией электрических сетей всех классов напряжений, является количественная информация об электрических нагрузках. Определение электрических нагрузок является первым этапом проектирования системы электроснабжения.

По величине электрических нагрузок выбирают и проверяют электрооборудование системы электроснабжения, определяют потери мощности и электроэнергии. От правильной оценки ожидаемых нагрузок зависят капитальные затраты на систему электроснабжения, эксплуатационные расходы, надежность работы электрооборудования.

Знание способов расчета электрических нагрузок совершенно необходимо как при проектировании системы электроснабжения, так и при эксплуатации действующих электрических сетей, так как часто появляются новые потребители, желающие получить разрешение на подключение к действующим электрическим сетям. Методы расчета электрических нагрузок для промышленных и сельских сетей имеют свои особенности, которые также необходимо знать инженеру – электрику.

После изучения этого модуля вы будете знать:

-понятие “графики электрических нагрузок”, их характеристики.

уметь:

-выполнять расчеты электрических нагрузок на участке сети, шинах трансформаторной подстанции различными методами и способами;

-строить графики электрических нагрузок суточные и годовые;

-определять потребленную (переданную по сети) электроэнергию за определенный период времени.

Электрической нагрузкой в соответствии с ГОСТ 19431-84 называется мощность, потребляемая электроустановкой в установленный момент времени. При применении переменного тока полная мощность складывается из активных и реактивных составляющих, поэтому различают полную, активную и реактивную нагрузки. Часто понятие нагрузки распространяется также на электрический ток (токовая нагрузка), а иногда и на электрическое сопротивление (например, в виде сопротивления задается допустимая нагрузка вторичных цепей трансформаторов тока).

Нагрузка линий задаётся в следующем виде: активной мощностью Р, реактивной мощностью Q, полной мощностью S или током I.

Для характеристик потребляемой мощности пользуются следующими понятиями:

1. Номинальная активная мощность приёмника электроэнергии – это мощность, указанная на заводской табличке или в паспорте приёмника электроэнергии (для источника света – на колбе или цоколе), при которой приёмник электроэнергии должен работать. Номинальная мощность светильников с лампами накаливания совпадает с потребляемой мощностью, а светильников с разрядными лампами с мощностью только ламп (без учёта потерь мощности в пускорегулирующих устройствах). Номинальная мощность электродвигателя – это мощность на валу при номинальной продолжительности включения.

2. Под номинальной реактивной мощностью приёмника электроэнергии понимают реактивную мощность, потребляемую им из сети (знак плюс) или отдаваемую в сеть (знак минус) при номинальной активной мощности и номинальном напряжении.

3. Установленная мощность – это сумма номинальных мощностей однородных электроприёмников.

4. Присоединённая мощность – это мощность, которую потребляет из сети потребитель при полной его нагрузке. Присоединённая мощность равна установленной для всех электроприёмников, кроме электродвигателей. Для электродвигателей присоединенная мощность зависит от коэффициента загрузки рабочей машины, коэффициента полезного действия и коэффициента мощности.

5. Средняя активная мощность группы электроприем-ников

,

(1.1)

где W – расход электроэнергии за рассматриваемый отрезок времени t.

Чаще всего необходимо знать среднюю мощность за смену Р_ср.см и за год Р_ср.г

;	(1.2)
.	(1.3)

6. Коэффициент использования активной мощности одного (К_иа) или группы (К_иа) электроприемников представляет собой отношение средней активной мощности отдельного приемника или группы приемников за наиболее загруженную смену к номинальной мощности

;	(1.4)
.	(1.5)

Пропускную способность системы электроснабжения и номинальную мощность источников электроэнергии выбирают по максимальному или определённому по некоторому среднему за определённый промежуток времени значению нагрузки, которое называется расчетной нагрузкой.

Расчетные активная Р_р, реактивная Q_р и полная S_р мощности определяются по выражениям, известным из курса ТОЭ

;	(1.6)
Qp = Pp·tgφp;	(1.7)
.	(1.8)

Из-за сложности определения расчетных cosφ_p и tgφ_p допускается их принимать равным средним значениям: cosφ_p = cosφ_ср, tgφ_p = tgφ_ср.

Электрическая нагрузка – величина непрерывно изменяющаяся: одни потребители включаются, другие отключаются, изменяется мощность, потребляемая электродвигателями из сети, растёт уровень электрификации быта. Изменения нагрузки во времени принято изображать в виде графика нагрузки.

График нагрузки – это зависимость активной, реактивной или полной мощности от времени. Графики нагрузки строят суточные (изменение нагрузки от 0 до 24 часов) и годовые (от 0 до 8760 часов).

Суточные графики строятся на действующих объектах по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии, производимым каждый час. Графики дают среднее значение нагрузок в течение часа и должны строиться ступенями (рис. 1.1, а, б).

Для суточного графика характерны следующие величины:

- максимум активной нагрузки Р_м;

- максимум реактивной нагрузки Q_м;

- коэффициент мощности максимума tgφ = Q_м/Р_м;

- суточный расход активной энергии W_сут;

- суточный расход реактивной энергии V_сут;

- коэффициент заполнения суточного графика активной энергии

.

(1.9)

Значениями мощности Р_MIN, Р_ср и Р_мах (см. рис. 1.1, а) суточный график нагрузки делится на три характерные части: базисную (0 < Р ≤ Р_MIN), полупиковую (Р_MIN < Р ≤ Р_ср), пиковую (Р_ср< Р ≤ Р_мах).

Годовые графики строятся для упрощения анализа, в виде упорядоченной диаграммы по убывающим ординатам активной и реактивной нагрузок в течение года. Поэтому эти графики называют графиком продолжительности нагрузок. Приближенно годовой график можно построить по двум характерным суточным графикам: один – за летний день (июнь), а другой – за зимний день (декабрь), как показано на рис. 1.1,а,б. При этом условно можно принять, что продолжительность зимнего периода для сельских потребителей равна 200 суток, а летнего – 165 суток. Построение годового графика начинают с максимума и выполняют в порядке постепенного снижения мощностей, для чего через оба суточных графика проводят ряд горизонтальных линий, расстояние между которыми выбирают с желаемой точностью построения. На горизонтальных линиях, на годовом графике откладывают времена, определяемые из выражения:

где t_зг, t_лг – длительность нагрузки P_i соответственно на зимнем и летнем суточном графике.

Для годовых графиков характерны следующие величины:

- максимумы нагрузки Р_м, Q_м;

- годовой расход активной и реактивной энергии W_г, V_г;

- число часов использования максимума нагрузки

.

(1.11)

Число часов использования максимума нагрузки является важнейшей характеристикой графика электрических нагрузок. Оно показывает, сколько часов в году электроустановка должна была бы работать с максимальной нагрузкой, чтобы потребить из сети такое же количество электроэнергии, как и при работе по действительному графику нагрузок.

- средневзвешенный tgφ

;

(1.12)

• коэффициенты заполнения годового графика активной энергии

(1.13)

Зная графики нагрузки объекта, можно определить все величины, необходимые для проектирования системы электроснабжения.

В проектной практике принято определять наибольшую среднюю нагрузку за 0,5 часа, которая может иметь место на вводе к потребителю электрической энергии и в электрической сети в расчетном году с вероятностью не ниже 0,95. Для определения расчетной нагрузки на графике берут участок, где в течение получаса мощность наибольшая. Если максимум нагрузки на графике длится менее получаса, то находится эквивалентная мощность по формуле:

,

(1.14)

где Р₁, Р₂, Р_n – наибольшие нагрузки;
t₁, t₂, t_n – продолжительность действия нагрузок.

Рис. 1.1. Построение годового упорядоченного графика нагрузок коммунально-бытовых потребителей (в) по характерным графикам зимы (а) и лета (б)

При проектировании систем электроснабжения применяют различные методы определения расчётных электрических нагрузок [1,2]. Расчёт электрических нагрузок в сельскохозяйственных районах производится в соответствии с Методическими указаниями по расчёту электрических нагрузок в сетях 0,38-110 кВ сельскохозяйственного назначения, разработанными Сельэнергопроектом [21]. В методических указаниях приняты два способа подсчёта нагрузок: по вероятностным характеристикам или при помощи коэффициента одновременности.

При расчете по обоим методам в соответствии с суточным графиком электрических нагрузок пользуются данными о дневном (индекс “д”) и вечернем (индекс “в”) максимумах активной, реактивной и полной нагрузок: Р_мд, Р_мв, Q_мд, Q_мв, S_мд, S_мв.

Нагрузки определяются обычно для дневного и вечернего максимума нагрузок. Если от сети питаются только производственные потребители, расчёт можно выполнять для дневного максимума нагрузок, если потребители только бытовые, можно рассчитывать вечерний максимум нагрузки.

Когда речь идёт об электропитании одного потребителя, то определение расчётной нагрузки не вызывает проблем: расчётной нагрузкой следует считать максимальную нагрузку из двух указанных максимумов (вечерний или дневной).

Чаще всего объектом электропитания является группа электро-приёмников, каждый из которых работает в переменном, не зависящем от других, практически стохастическом режиме (например, электробытовая нагрузка сельских жилых домов в поселке).

При расчёте по вероятностным характеристикам (первый способ) необходимы сведения о математическом ожидании дневных и вечерних максимумов активной и реактивной нагрузок, которые условимся обозначать подчеркиванием сверху соответствующей величины .

Второй способ базируется на том, что при большом числе электроприёмников они обычно одновременно не работают. Расчетную мощность поэтому определяют как арифметическую сумму присоединённых мощностей электроприемников, умноженную на коэффициент одновременности (К_О≤1). Коэффициентом одновременности называют отношение расчётной нагрузки группы из нескольких потребителей к сумме их максимальных нагрузок. Далее излагаются способы определения электрических нагрузок на вводах в жилые дома, производственные объекты, на участках линий электропередачи и сборных шинах трансформаторных подстанций.

Большинство расчетов по определению параметров энергосистемы связано с применением в них максимальных и минимальных значений мощности. Для сельских электрических сетей существующие методы расчета электрических нагрузок (нагрузки в сетях задаются мощностью или током) подробно изложены в [1] и в [2].

Расчётные дневная и вечерняя нагрузки на участке линии или на шинах трансформаторной подстанции:

где К_о – коэффициент одновременности;
Р_дi, P_вi– дневная и вечерняя нагрузки на вводе i–го потребителя или i–го участка сети.

Коэффициенты одновременности в зависимости от уровня напряжения сети принимаются по таблицам приложений 1.1–1.3.

Если нагрузки однородных потребителей отличаются по величине более чем в четыре раза, то суммирование их производится не с помощью коэффициента одновременности, а пользуясь таблицами приложений 1.4, 1.5, в которых Р – меньшая из слагаемых нагрузок, а ΔΡ – добавка к большей слагаемой нагрузки.

Расчётная активная нагрузка равна

где Рδ – большая из слагаемых нагрузок.

По приложениям 1.4 и 1.5 производится также суммирование разнородных нагрузок – бытовой и производственной и определяется расчётная нагрузка на шинах трансформаторных подстанций.

Для расчёта электрических сетей необходимо знать значения полных мощностей на участках

где значения cosφ принимают для сетей 0,38 кВ по таблице приложения 1.6, а для сетей 10-110 кВ – по рис. 1.1 в зависимости от отношения расчетной нагрузки производственных потребителей Р_п к общей расчётной нагрузке Р_о.

где Р_кб – расчётная нагрузка коммунально-бытовых потребителей.

В случае отсутствия сведений об отношении Р_п/Р_о значение cosφ для определения полной мощности на участках сетей выше 1000 В, можно с достаточной степенью точности при учебном проектировании принимать в зависимости от отношения дневного максимума нагрузок Р_д к вечернему по приложению 1.7.

В сельском хозяйстве широко распространены сезонные потребители, которые потребляют электроэнергию не круглый год, а по сезонам: осенью и летом – зернотока и пункты по переработке сельскохозяйственных продуктов; зимой и весной – теплицы и парники; весной, летом и осенью – орошение и т.д. Если в проектируемой зоне электроснабжения такие потребители есть, то расчётные нагрузки определяют с учётом коэффициентов сезонности, значения которых приведены в таблице 1.8.

Если суммарная нагрузка сезонных потребителей весной составляет более 20% мощности остальных потребителей, летом – более 30% и осенью – более 10%, то нагрузку, кроме расчётного зимнего сезона, определяют также и для других сезонов.

Для электрических нагрузок с помощью вероятностно-статистических методов необходимо иметь единую информационную базу о показателях нагрузок сельских электроприемников. Достаточно полно на основе многолетних экспериментальных исследований определены основные вероятностные характеристики нагрузок сельскохозяйственных потребителей в институте Сельэнергопроект [3].

Характеристики нагрузок сельскохозяйственных объектов приведены в приложениях 2.1-2.6, [2]. В этих таблицах для режимов вечернего и дневного максимумов указаны средние значения (математические ожидания) активной и реактивной мощностей. Здесь же приведены расчетные максимальные значения активной и реактивной нагрузок.

Для расчета электрических нагрузок на участках линий электропередачи и шинах подстанций, к которым присоединено произвольное количество потребителей, необходимо знать среднеквадратичное отклонение или дисперсию D=σ² всех подключенных нагрузок.

Значения дисперсии D(P) и D(Q) можно получить из приложений (2.1-2.6), [2] по выражениям:

	(1.20)
	(1.21)

Определив основные вероятностные характеристики электрических нагрузок потребителей и рассматривая нагрузки как случайные величины, для расчета нагрузки линии используют известные из курса теории вероятностей теоремы сложения математических ожиданий и дисперсий (3.8-3.14) [2]. Так, для математического ожидания суммарной активной нагрузки n i-х потребителей Р_Σ можно записать:

.

(1.22)

Аналогично для реактивной нагрузки.

Для независимых случайных величин (что характерно для нагрузок сельскохозяйственных потребителей) дисперсии суммарной активной нагрузки n i-х потребителей определяются:

.

(1.23)

Аналогично для реактивной нагрузки:

.

(1.24)

Расчетные активные и реактивные нагрузки линии и шин подстанций определяются по формулам:

;	(1.25)
,	(1.26)

где β – коэффициент точности (надежности) расчета

Расчетную полную мощность участка сети определяют по формуле (1.8).

По рассмотренной методике на кафедре электроснабжения КрасГАУ разработана программа расчета электрических нагрузок в электронных таблицах EXCEL.

Для схемы сети 0,4 кВ, изображенной на рисунке 1.2, определить нагрузку на головном участке сети. Нагрузка разнородная, указана в кВт на рисунке у каждого потребителя в виде . Все потребители относятся к производственным и коммунально-бытовым предприятиям.

Рис. 1.2. Схема сети 0,4 кВ к примеру 1.2

Решение: По условию задачи нагрузка сети разнородная, мощность потребителей отличается по величине более чем в четыре раза, поэтому расчет проведем по таблицам добавок мощностей (прил. 1.4), по формуле (1.17). Расчет начинаем с конца линии.

Для дневного максимума нагрузок:

Нагрузка на участке 1-2 будет равна мощности потребителя № 1, поэтому

Коэффициент мощности принимаем по прил. 1.6 для общественных учреждений и коммунальных предприятий. В нашем случае для всех потребителей принимаем дневной коэффициент мощности, cosφ_д = 0,85.

На участке 2–3 нагрузка будет определяться мощностями потребителя № 1 и № 2, поэтому по формуле (1.17) к большей нагрузке прибавляем добавку от меньшей.

Нагрузки на участке 3–4:

Нагрузки на участке 4–ТП:

Расчеты для вечернего максимума нагрузок аналогичны.

Для схемы сети 0,4 кВ, изображенной на рисунке 1.3, определить нагрузку на каждом участке. Нагрузка однородная, к сети подключены жилые дома с мощностью на вводе одного дома при вечернем максимуме нагрузок 14,5 кВт (дома с электрообогревом). Потребитель № 7 – четырехквартирный жилой дом. Нагрузку на вводе в одну квартиру принять равной нагрузке одноквартирного жилого дома.

Рис. 1.3. Схема сети 0,4 кВ к примеру 1.2.

Решение: Проведем расчет для вечернего максимума нагрузки. Определим нагрузку при помощи коэффициентов одновременности т.к. нагрузка однородная. Этим методом можно пользоваться, если нагрузка однородных потребителей отличается по величине не более чем в четыре раза.

Определим нагрузку четырехквартирного дома (на рис. 1.3 она уже указана) по формулам (1.15 и 1.16).

Коэффициент одновременности определяем по прил. 1.1. для жилых домов с электроплитами и водонагревателями, принимаем среднее значение между коэффициентами одновременности для трех и пяти потребителей – К_о(4) = 0,56.

Расчет нагрузки по участкам сети необходимо начинать с конца линии, суммируя мощности с учетом коэффициентов одновременности по формуле (1.2).

Коэффициенты одновременности принимаются по прил. 1.1. На участке 1–2 нагрузка равна мощности потребителя, подключенного в первом узле, поэтому

.

Коэффициент мощности принимаем по прил. 1.6, для жилых домов с электроплитами и водонагревателями cosφ = 0,96.

;

На участке 2–3:

.

На участке 3–4:

На участке 4–5:

На участке 5–ТП:

Дневной максимум нагрузки рассчитывается аналогично.

Для схемы сети 10 кВ, изображенной на рисунке 1.4, определить нагрузку на головном участке сети, используя таблицы добавок мощностей. Нагрузка в кВт указана на рисунке у каждого потребителя в виде .

Рис. 1.4. Схема сети 10 кВ к примеру 1.3

Решение: Расчет электрических нагрузок по участкам сети проведем по формуле (1.17).

На участке 1–2 нагрузка равна мощности потребителя, подключенного в первом узле.

Значение коэффициента мощности (cosj ) определяем из отношения мощностей Р_д/Р_в по прил. 1.7.

На участке 2–3:

Находим значения полной и реактивной мощностей по участкам сети.

На участке 3–4:

На участке 4–5:

На участке 5–ТП:

Определить расчетные нагрузки участков воздушной линии 380/220 В и расчетную мощность на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции населенного пункта, расчетная схема которого изображена на рис. 1.5. От подстанции отходят три воздушные линии (фидера) С₁, С₂, С₃. К линии С₂ подключены семь одноквартирных домов (номера 1-7), два четырехквартирных дома (номера 8-9) и один двенадцатиквартирный дом (номер 10). Нагрузка на одну квартиру соответствует коду 604 (Р_мд = 0,9 кВт, Р_мв = 2,5 кВт). Остальные потребители производственные, код на рисунке указан у соответствующего потребителя. Нагрузка наружного освещения принята 5,5 Вт на метр длины улицы.

Рис. 1.5 Расчетная схема воздушной линии 380/220 В

Решение: Проведем расчет нагрузок с вероятностью непревышения равной 0,995 (вероятность превышения 0,0005), тогда по таблице 3.1 [2] β = 2,5. Для удобства расчета занесем в таблицу 1.1 исходные данные для соответствующих кодов нагрузки из прил. (1.9 – 1.14). Здесь же приведены, рассчитанные по формулам (1.23 - 1.24) дисперсии соответствующих нагрузок.

Расчет нагрузок по участкам сети проведем по формулам (1.25 – 1.26).

Первая линия (С₁)

Таблица 1.1

Наименование объекта	№ шифра	Дневной максимум нагрузки						Вечерний максимум нагрузки
		активной			реактивной			активной			реактивной
		Рмд, кВт	D(Pд)	, кВт	QД, квар	D(Qд)	, квар	РМВ, кВт	D(Pв)	, кВт	QМВ, квар	D(Qв)	, квар
Жилой дом	604	0,9	0,144	0,14	0,4	0,029	0,06	2,5	1,124	0,38	0,9	0,152	0,12
Зернохранилище с передвижными механизмами емкостью 500 тонн	311	10	16	2	10	16	2	5	4	1	3	1,563	0,5
Птичник на 8 тыс. кур	155	25	56,25	10	12	20,25	3	25	56,25	10	12	20,25	3
Овчарня на 800-1000 овцематок	170	1	0,09	0,4	0	0	0	5	1	3	0	0	0
Ветеринарно-фельдшерский пункт	199	3	1	1	0	0	0	2	1	1	0	0	0
Кузница	339	5	5,063	0,5	0	0	0	1	0,16	0,2	0	0	0
Свинарник-маточник на 50 маток с электрообогревом	139	28	56,25	13	12	16	4	28	56,25	13	8	9	2
Теплая стоянка для тракторов	370	5	4,995	0,53	2,5	0,98	0,52	2	0,81	0,2	0	0	0
Маслобойка	353	10	16	2	7	9	1	1	0,16	0,2	0	0	0

Суммарная нагрузка на шинах трансформаторной подстанции

С учетом уличного освещения

.

1. Что понимается под электрической нагрузкой?
2. Какие технические показатели электроустановок являются определяющими при расчете электрических нагрузок?
3. Каково назначение графиков нагрузки?
4. По каким данным составляются суточные и годовые графики нагрузок?
5. Что такое коэффициент заполнения графика нагрузок?
6. Каковы основные показатели графиков электрических нагрузок?
7. Что такое эффективное число электроприемников?
8. Что называется коэффициентом одновременности и в чем его суть?
9. Что понимается под числом часов использования максимума нагрузки?
10. Запишите формулы для определения электрических нагрузок с помощью коэффициента одновременности, по добавкам мощности и при использовании статистического (вероятностного) метода расчета нагрузок.
11. Что такое коэффициент использования активной мощности?
12. Что называется коэффициентом спроса и в чем его суть?
13. Что такое присоединенная мощность?
14. Что называется установленной мощностью?
15. В каких координатах строятся графики электрических нагрузок?
16. От чего зависит коэффициент максимума электрических нагрузок, как он определяется?
17. При каких условиях необходимо суммирование нагрузок сельскохозяйственных потребителей по добавкам мощности?
18. При каких условиях возможно суммирование нагрузок сельскохозяйственных потребителей по коэффициенту одновременности?
19. Как, зная суточные графики нагрузки за характерный зимний и летний дни построить годовой график нагрузки по продолжительности?
20. Как определить потребление электроэнергии электроустановкой за год, зная максимальную нагрузку в течение года и число часов использования максимальной нагрузки?