УДК 621.311 (06)

Груцынов М.В., Курнаков В. А.

Шахтинский институт ЮРГТУ (НПИ)

Совершенствование электрификации предприятий, организаций и учреждений

В связи с увеличением дефицита и стоимости электрической энергии одним из основных направлений повышения эффективности работы предприятий, организаций и учреждений является совершенствование их систем электроснабжения.

С целью улучшения условий передачи энергии в электрических сетях потребителей выполнена количественная оценка энергосберегающих показателей работы основных возможных вариантов сетей постоянного и переменного тока:

- однополярная сеть постоянного тока;

- двухполюсная сеть постоянного тока с заземленной средней точкой;

- однофазная сеть переменного тока;

- многофазная сеть переменного тока.

При сравнении, во первых, принято, что активная мощность потребителей всех сетей одинаковая

Р1П = Р2П = Р1ф = Рт = Р,

где индексами 1П, 2П, 1ф, и т обозначены, соответственно, сети однополярного постоянного тока, двухполюсного постоянного тока с заземленной средней точкой, однофазного переменного тока и многофазного переменного тока.

Во вторых, фазное напряжение для всех сетей принято одинаковое

U1П = U2П = U1ф = Uт = U.

В третьих, одинаково суммарное сечение проводов сети

Σ s1П = Σ s2П = Σ s1ф = Σ sт = s,

соответственно, сечение одного провода для каждой сети равно

s1П = s/2, s2П = s/2, s1ф = s/2, sт = s/т.

В четвертых, принято одинаковым расстояние передачи электроэнергии (длина сети)

l1П = l2П = l1ф = lт = l.

Используя известные зависимости параметров электрических цепей [1] получаем выражения для падений напряжения, потерь мощности и КПД в сравниваемых сетях. При условии одинакового расстояния передачи и без учета индуктивного сопротивления в сетях переменного тока падения напряжения в анализируемых сетях равны

                            ,

,            

где    I1П = P/U,   I2П = P/(2U),        I1ф = P/(U·cosφ)   Iт = P/(mUcosφ).

При тех же условиях потери мощности равны

,                         ,

,                      .

Ошибка из–за неучета индуктивного сопротивления сети, например при расчете падения напряжения в гибком кабеле трехфазной сети переменного тока составляет: для кабеля сечением 10 мм2 – 0,08%, для кабеля сечением 50 мм2 – 0,8%, для кабеля сечением 120 мм2 – 8%.

Результаты сравнения показывают, что наилучшими характеристиками обладает двухполюсная сеть постоянного тока. С этой сетью сравнима только сеть многофазного переменного тока при m ≥ 2 и cosφ стремящемся к единице.

При выводе зависимостей потерь напряжения в сетях переменного тока (обращаем внимание) полученные математические выражения отличаются от общепринятых, применяемых в расчетах электрических сетей.

Так при расчетах сечения проводов линий по допустимой потере напряжения [2, 3, 4] в расчетных формулах в место учета индуктивности сопротивления кабеля, то есть учета cosφкаб, учитывается угол реактивной составляющей тока потребителя cosφпотр. В результате занижается расчетное сечение кабелей, что приводит к снижению фактического напряжения на зажимах потребителя. Очевидно, что падение напряжения на сопротивлении кабеля (основной составляющей которого и при переменном токе является активное сопротивление) создает полный ток, а не произведение тока на cosφпотр. Следовательно, расчет падения напряжение в сети определяется активной составляющей сопротивления линии (кабеля), к которому добавляется незначительная индуктивная составляющая.

Верность полученного результата в отличие от приводимых в вышеуказанной литературе формул и векторных диаграмм подтверждается тем, что в результате расчета с учетом cosφкаб не нарушается здравый смысл. А именно, cosφпотр в начале линии меньше, чем в ее конце, а не наоборот как в [3]. Данное положение подтверждается проведенным физическим моделированием электрических сетей с использованием пакета программ Electronics Workbench (EWB 512).

Таким образом, в результате выполненного сравнения параметров различных электрических сетей установлено, что, наиболее удовлетворяет требованиям потребителя двухполюсная сеть постоянного тока. Этому будут способствовать так же возросшие в настоящее время возможности силовой преобразовательной техники.

При тех же условиях, что и для ∆U и ∆Р КПД сравниваемых сетей равны

           

По полученным выражениям для ∆U, ∆Р и h выполнено математическое моделирование с помощью пакета программ Mathcad 2001 Professional.

Результаты моделирования представлены на рис. 1 и 2 в виде графиков зависимостей ∆U и ∆Р (∆S) в относительных единицах параметра двухполюсной сети постоянного тока с заземленной средней точкой. На рис. 3 представлены результаты моделирования h в абсолютных единицах для допустимой величины падения напряжения в сетях регулируемого электропривода - 5%.

Рис.1. Зависимость потери напряжения от cosφ

f(x) - двухполюсная сеть постоянного тока с заземленным средним проводом;

g (x) - однополярная сеть постоянного тока;

u(x) - однофазная сеть переменного тока;

m(x) - многофазная сеть переменного тока

 

Рис.2. Зависимость потерь мощности от cosφ

f(x) - двухполюсная сеть постоянного тока с заземленным средним проводом;

g (x) - однополярная сеть постоянного тока;

u(x) - однофазная сеть переменного тока;

m(x) - многофазная сеть переменного тока

 

 

Рис. 3. Зависимость КПД от cosφ

f(x) - двухполюсная сеть постоянного тока с заземленным средним проводом;

g (x) - однополярная сеть постоянного тока;

u(x) - однофазная сеть переменного тока;

m(x) - многофазная сеть переменного тока

Наилучшими показателями обладает двухполюсная сеть постоянного тока с заземленной средней точкой, в которой потери напряжения и потери мощности в 4 раза меньше, чем в сети однополярного постоянного тока. Сравнима с ней может быть только сеть многофазного переменного тока и только при cosφ стремящемся к единице. КПД двухполюсной сети постоянного тока также является самым большим.

Потери напряжения в сетях переменного тока возрастают пропорционально cosφ, а потери мощности пропорционально квадрату cosφ. КПД в сетях переменного тока уменьшается с уменьшением cosφ согласно приведенных выше зависимостей.

Используя приведенные выше выражения для ∆U, а так же условие ∆U = const (5%) найдем допустимые длины передачи электроэнергии для сравниваемых сетей

,                                   ,

,                           .

Результаты моделирования представлены на рис. 4 в виде графиков зависимостей в относительных единицах допустимой длины двухполюсной сети постоянного тока с заземленной средней точкой.

Рис.4. Зависимость допустимой длины передачи электроэнергии от cosφ

f(x) - двухполюсная сеть постоянного тока с заземленным средним проводом;

g (x) - однополярная сеть постоянного тока;

u(x) - однофазная сеть переменного тока;

m(x) - многофазная сеть переменного тока

 

Наибольшей допустимой длиной передачи обладает двухполюсная сеть постоянного тока с заземленной средней точкой.

Таким образом, наилучшей по основным условиям передачи энергии является сеть двухполюсного постоянного тока с заземленной средней точкой. Она при равных условиях позволяет передавать электроэнергию на расстояние в четыре раза больше, чем однополярная сеть постоянного тока, в четыре и более раза больше, чем сеть однофазного переменного тока. Сравнима с ней может быть только сеть многофазного переменного тока и только при cosφ стремящемся к единице. При снижении cosφ пропорционально ему снижается и допустимое расстояние передачи энергии в многофазной сети переменного тока. Многофазная сеть переменного тока кроме того будет дороже, чем двухполюсная сеть постоянного тока с заземленной средней точкой уже при количестве фаз m > 2.

Двухполюсная сеть постоянного тока позволяет использовать потребителем два уровня напряжения: низший уровень – для питания освещения и бытовых приборов; высокий (в 2 раза выше) – для питания силовых потребителей электропривода, электропечей и отопления.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.    Нейман Л.Р., Демирчян К.С. Теоретические основы электротехники.- Л.: Энергия, 1975.

2.    Медведев Г.Д.. Электрооборудование и электроснабжение горных предприятий. - М.:Недра,1988.

3.    Конюхова Е.А. Электроснабжение объектов.- М.: Изд. Мастерство; Высшая школа, 2001.

4.    Александров Г.Н. Передача электрической энергии переменным током.- Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отделение, 1990.