Автоматические выключатели коэффициенты нагрузки

Расчет мощности силовых трансформаторов

Трансформатор – элемент, использующийся для преобразования напряжений. Он входит в состав трансформаторной подстанции. Ее задача – передача электроэнергии от питающей линии (воздушной или кабельной) потребителям в объеме, достаточном для обеспечения всех режимов работы их электрооборудования.

Встраиваемая комплектная трансформаторная подстанция

В роли потребителей выступают жилые многоэтажные здания, поселки или деревни, заводы или отдельные их цеха. Подстанции, в зависимости от условий окружающей среды и экономических факторов, имеют различные конструкции: комплектные (в том числе киосковые, столбовые), встраиваемые, расположенные на открытом воздухе или в помещениях. Они могут располагаться в специально предназначенном для них здании или занимать отдельное помещение здания.

Выбор трансформаторов подразумевает определение его мощности и количества трансформаторов. От результатов зависят габариты и тип трансформаторных подстанций. При выборе учитываются факторы:

Критерий выбора

Определяемый параметр

Постановка задачи

Принципиальная электрическая схема трансформаторной подстанции с установленными устройствами компенсации реактивной мощности (конденсаторными батареями) приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема трансформаторной подстанции.

Как правило, секционный автоматический выключатель в нормальном режиме работы ТП разомкнут. Каждую секцию шин можно рассматривать изолировано друг от друга и рассчитывать параметры режима отдельно. Для упрощения расчетов будем считать режимы потребления электроэнергии на обеих секциях симметричными и примем следующие обозначения:

• P_{р.нагр.1} = P_{р.нагр.2} = P_р.нагр. – расчётная активная мощность нагрузки;
• cosϕ_{р.нагр.1} = cosϕ_{р.нагр.2} = cosϕ_р.нагр. – расчётный коэффициент мощности нагрузки;
• Q_{КУ-1.ном} = Q_{КУ-2.ном} = Q_КУ.ном – номинальная мощность устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ);
• ΔQ_КУ-1 = ΔQ_КУ-2 = ΔQ_КУ – мощность ступени регулирования УКРМ;
• U_НН – номинальное напряжение стороны низкого напряжения (НН);
• P_1НН = P_2НН = P_НН = P_р.нагр.– расчётная активная мощность на шинах НН;
• Q_1НН = Q_2НН = Q_НН – расчётная реактивная мощность на шинах НН;
• tgϕ_1НН = tgϕ_2НН = tgϕ_НН – расчётный коэффициент реактивной мощности на шинах НН;
• ΔP_Т – потери активной мощности в трансформаторе;
• ΔQ_Т – потери реактивной мощности в трансформаторе;
• U_ВН – номинальное напряжение стороны высокого напряжения (ВН);
• tgϕ_max (tgϕ_min) – максимальное (минимальное) значение нормируемого коэффициента реактивной мощности на шинах ВН;
• P_1ВН = P_2ВН = P_ВН – расчётная активная мощность на шинах ВН;
• Q_1ВН= Q_2ВН = Q_ВН – расчётная реактивная мощность на шинах ВН;
• tgϕ_1ВН = tgϕ_2ВН = tgϕ_ВН – расчётный коэффициент реактивной мощности на шинах ВН.

Цель: рассчитать номинальную реактивную мощность (Q_КУ.ном) и ступень регулирования (ΔQ_КУ) УКРМ.

Расчет нагрузки электростанции

При покупке электростанции необходимо правильно рассчитать нагрузку, которая будет от нее питаться, чтобы правильно выбрать мощность и технические характеристики устройства. Для этого следует определиться с перечнем всей техники на объекте, работающей одновременно и выделить среди нее наиболее важные точки, так называемых «тяжелых» электропотребителей для генераторов. К последним относят электрические приборы с электродвигателем (компрессоры, насосы, холодильники и т.д.), поскольку они характеризуются наличием больших пусковых токов, которые в момент старта кратковременно увеличивают показатель потребляемой мощности в 4–5 раз, а также другими негативными моментами, оказывающих влияние на конечную оценку мощности генератора. Кроме того необходимо заранее продумать планируется ли дальнейшее наращивание мощности электропотребителей в будущем. Иногда от пользователя может потребоваться выполнение дополнительных работ, связанных с разводкой и перекоммутацией нагрузки.

Типы нагрузки

Прежде всего, определимся с тем, какие существуют типы нагрузки. Их два – активная и реактивная. Большинство реальных электроприборов обладают обоими этими составляющими. Активная или как ее еще называют резистивная, либо тепловая мощность (P) измеряется в Вт (Ваттах) и представляет собой нагрузку, работающую по принципу потребления электрической энергии из сети для выработки света или тепла. К данной группе устройств относят осветительные приборы, электронагревательное оборудование и др.

Реактивная мощность (емкостная и индуктивная) характерна для оборудования, преобразующего потребляемую электроэнергию в электрическое и магнитное поле. Она измеряется в таких единицах, как Вар (Вольт Амперы реактивные) и обозначается символом Q. Такую составляющую имеют электродвигатели, электрический инструмент, бытовая аудио-, видео- и вычислительная техника.

Расчет суммарной нагрузки

Полная нагрузка – это реальная (фактически потребляемая) мощность, определяемая с учетом активной и реактивной составляющих, а также отклонений формы напряжения и тока от гармонической. Вычисляется данный показатель по следующей формуле:

Для того чтобы определиться с требуемой мощностью выбираемой электростанции необходимо вычислить суммарное энергопотребление всех работающих от нее приборов – их полную мощность, измеряемую в ВА (вольт-амперах). Эту информацию можно найти сразу в нескольких источниках: эксплуатационной документации, поставляемой вместе с техникой, либо на шильнике самого электроприбора. Тогда суммарная мощность всех устройств определится как:

Как уже говорилось выше, старт подобных агрегатов сопровождается большими пусковыми токами по сравнению с работой в нормальном режиме, поэтому мощность генератора должна обеспечивать выполнение переходных процессов при подобных кратковременных пиковых всплесках. Для таких устройств, как погружные насосы, мощные морозильные установки, бетономешалки, строительные инструменты и т.д. расчетную мощность необходимо умножить на поправочный коэффициент (1,5÷3), чтобы не допустить перегрузки двигателя электростанции, что в свою очередь может привести к ее отключению в ответственный момент, либо и того хуже – выходу из строя.

Коэффициент мощности

Очень часто производители указывают мощность агрегата в Вт, которые необходимо перевести в ВА. Если для оборудования, имеющего только активную нагрузку, эти значения будут равны, то с приборами, имеющими реактивную составляющую ситуация обстоит немного иначе. Здесь для перевода необходимо использовать коэффициент мощности. Коэффициентом мощности (cosφ) называют безразмерную величину, характеризующую потребителя переменного тока с точки зрения присутствия в нагрузке реактивной составляющей. Его еще называют мерой реактивности электрооборудования.

К примеру, если cosφ = 0,8, то 80% от потребляемой электроагрегатом мощности – это активная нагрузка, а соответственно оставшиеся 20% – реактивная. В таком случае для определения полной мощности устройства необходимо имеющуюся тепловую мощность разделить на величину коэффициента мощности. Величину данного коэффициента можно почерпнуть из тех же источников, что и мощность устройства (шильдик и документация). Если cosφ для электроприбора не известен (такое случается, когда некоторые недобросовестные производители пытаются выдать генератор за более мощный), то для приблизительного расчета его можно брать равным 0,6 – 0,8.

Пример: в паспортных данных погружного насоса указана тепловая потребляемая мощность Р=2 кВт, а величина коэффициента мощности cos φ = 0,8. Исходя из этих данных, находим полную мощность указанного агрегата, она будет равняться:

S = 2000/0,8=2500 ВА = 2,5 кВА.

Коэффициент одновременного включения

По окончанию расчетов суммарной мощности всего оборудования следует скорректировать полученную величину на специальный поправочный коэффициент, учитывающий возможность одновременного включения выбранных устройств в пик потребления. В большинстве случаев все электроприборы, подключенные к генератору, не используются в одно и то же время, в таком случае данный коэффициент будет равняться 0,7, на него и нужно умножить конечный результат. Чем больше вероятность того, что некоторые устройства будут задействованы одновременно, тем ближе к единице будет поправочный коэффициент.

Запас мощности

Помните, что рассчитанная мощность не должна быть больше номинальной у выбираемой электростанции. Также необходимо обращать внимание на то, что многие компании-производители указывают в документации показатель максимальной выходной мощности. Данный параметр допускает работу генератора при такой нагрузке в течении непродолжительного интервала времени, который в зависимости от производителя может колебаться в пределах от нескольких секунд до часа и более. Реальная же мощность (ее обычно называют номинальной) несколько, а порой даже на десятки процентов ниже этой цифры.

В завершении проводимых расчетов специалисты советуют при выборе конкретной электростанции делать запас мощности в размере 20-30% от полученной величины, другими словами умножить суммарное энергопотребление всей имеющейся техники на 1,2 – 1,3. Такой запас необходимо делать для того, чтобы станция не работала на пределе своего потенциала, и всегда имелась возможность оперативно подключить к генератору дополнительное оборудование. Дело в том, что длительное функционирование любого прибора, в том числе и электростанции в режиме перегрузки существенно снижает его ресурс.

Большинство электростанций допускают небольшую перегрузку (в районе 10%) сверх номинальной мощности с обязательными технологическими перерывами, необходимыми для восстановления нормальных параметров теплового режима. Суммарная эксплуатация автономных источников электроэнергии при таком уровне нагрузки должна занимать не более 10% от общей наработки электроустановки.

Примеры расчета мощности электростанции

Как показывает практический опыт применения электрогенераторных установок на загородном дачном участке, где из электропотребителей имеется только телевизор, холодильник и до десятка лампочек вполне хватит генератора мощностью 2 кВт. Для бесперебойного питания большого коттеджа, где установлен стандартный набор современной бытовой техники и часто возникают перебои с подачей электричества, потребуется более мощная модель (на 7 –15 кВт). Для использования во дворе собственного дома электрического инструмента – болгарки, электродрели, бетономешалки и т.п. вполне хватит портативной электростанции, рассчитанной на 6 кВт.

Рассмотрим такой пример: необходимо определиться с генератором для автономного питания перфоратора мощностью 600 Вт (cosφ=0,6) и двух обогревателей, потребляющих 1500 Вт. Минимально необходимая мощность такой электростанции составит:

S = 1,5х(600/0,6)+1500= 3000ВА = 3 кВА.

где 1,5 – коэффициент, учитывающий пусковой ток.

Если полагаться, что электростанция будет работать на 75% от своего максимального потенциала, то окончательный расчет будет иметь вид:

S = 3/75х100= 4 кВА.

Либо такой случай: имеется циркулярная пила мощностью 1400 Вт, шлифовальная машина – 1000 Вт, а также сварочный аппарат – 2200 Вт. Необходимо рассчитать мощность электростанции, которая смогла бы запитать перечисленную технику. В этом случае данный показатель определится следующим образом:

S = 1000х1,5+1400х1,5+2200х3= 10200 ВА = 10,2 кВА.

При рекомендуемом уровне нагрузки в 75 % требуемая мощность составит:

S = 10,2/75х100= 13,6 кВА.

Получаем, что для нормального функционирования данного перечня техники достаточно генератора номинальной мощностью 13,6 кВА.

Для электрических сетей расчетными нагрузками являются наибольшие возможные нагрузки длительностью не менее 30 мин.
Величина расчетной нагрузки зависит от числа и установленной мощности электроприемников, характера производства и степени автоматизации — производственного процесса.

1. Номинальная (установленная) мощность электроприемников

Номинальная активная мощность для одного электроприемника определяется по формулам:
для приемников освещения и электродвигателей при длительном режиме работы

для электродвигателей повторно-кратковременного режима работы

для трансформаторов электропечей

для трансформаторов сварочных машин и аппаратов и сварочных трансформаторов ручной сварки

где Р_н — номинальная мощность приемника освещения или номинальная (паспортная) мощность электродвигателя для длительного режима работы, кВт;
ПВ_н — номинальная (паспортная) продолжительность включения, отн. ед.;
Р_н.п — паспортная мощность электродвигателя при номинальной относительной продолжительности включения, кВт;
S_н — паспортная мощность трансформатора, кВА;
cos φ_н — коэффициент мощности электропечи, сварочного аппарата или сварочного трансформатора при номинальных условиях.
Номинальная мощность группы электроприемников определяется как сумма номинальных мощностей всех электроприемников:

где р_у — номинальная мощность электроприемника, кВт;
n — общее число электроприемников в группе.

2. Расчетные нагрузки

Для одного электроприемника расчетная активная мощность принимается равной:
при длительном режиме работы

при повторно-кратковременном режиме работы

где р _у — номинальная мощность электроприемника, кВт.
При повторно-кратковременном режиме работы электроприемника установленная мощность должна быть приведена к длительному режиму работы по одной из формул (3-2) или (3-4).
Расчетная реактивная мощность одного электроприемника определяется из выражения

где φ — фазовый угол тока электроприемника при режиме расчетной нагрузки.
Для группы электроприемников числом до 3 включительно активная и реактивная расчетные мощности определяются как суммы соответственно активных и реактивных нагрузок электроприемников группы.
При ориентировочных расчетах допускается определять расчетную активную мощность одной или нескольких групп электроприемников по формуле

где К_с и Р_у — соответственно средняя величина коэффициента спроса и установленная мощность группы однотипных электроприемников;
n — общее число групп электроприемников. Реактивная расчетная мощность может быть определена из выражения

где φ — фазовый угол суммарного тока всей группы электроприемников для режима расчетной нагрузки.
Средние значения коэффициента спроса силовой нагрузки для некоторых производств приведены в табл. 3-1 и 3-2.
Коэффициент спроса осветительной нагрузки промышленных предприятий и относящихся к ним вспомогательных и бытовых сооружений принимается по табл. 3-3.
В общем случае коэффициент спроса группы электроприемников промышленного предприятия определяется как произведение коэффициентов использования (К_и) и максимума (К_м):

Коэффициенты использования и максимума группы электроприемников соответственно равны:

где Р_см — средняя активная нагрузка рассматриваемой группы электроприемников за наиболее нагруженную смену предприятия, квт;
Р и Р_у — соответственно расчетная и номинальная активная мощности той же группы электроприемников, квт.
Значения коэффициентов использования в зависимости от типа приводимых механизмов и характера производства приведены в табл. 3-1.
Значения коэффициента использования для нескольких групп электроприемников с разными значениями коэффициента использования определяются по формуле (3-12), в которой под Р_см следует понимать сумму средних нагрузок за наиболее нагруженную смену для всех групп электроприемников:

Коэффициент спроса группы электроприемников для ориентировочных расчетов может быть принят в зависимости от коэффициента использования по табл. 3-4.

3. Определение коэффициента максимума

При расчетах на стадии технического проекта или рабочих чертежей расчетные нагрузки определяются с учетом коэффициента максимума, величина которого зависит от коэффициента использования и эффективного числа электроприемников.
Под эффективным числом группы электроприемников с различной установленной мощностью и разными режимами работы понимается такое число приемников, одинаковых по мощности и однородных по режиму работы, которое обеспечивают ту же величину расчетной нагрузки, что и рассматриваемая группа различных по мощности и режиму работы электроприемников.
В общем случае эффективное число электроприемников может быть найдено из выражения

Эффективное число электроприемников может быть принято равным фактическому их числу в следующих случаях:
а) когда мощность всех приемников одинакова;
б) при коэффициенте использования К_и>0,8;
в) когда выполняются указанные в табл. 3-5 соотношения между коэффициентом использования и величиной отношения, равного:

где Р_у.макс и Р_у.мин — соответственно номинальные активные мощности наибольшего и наименьшего электроприемников в группе, квт.
При определении Р_у.мин должны быть исключены наиболее мелкие электроприемники, суммарная мощность которых не превосходит 5% мощности всей группы приемников.
Когда указанные условия не выполняются, эффективное число электроприемников определяется в зависимости от величин Р*и n* , вычисляемых пo формулам (* — звездочки, поставленные под буквенными обозначениями, указывают на относительные величины).

где n — общее число электроприемников группы;
— сумма номинальных мощностей всей группы, квт;
— число приемников в группе, номинальная мощность каждого из которых больше или равна половине номинальной мощности наиболее мощного приемника в группе;

— сумма номинальных мощностей этих приемников, квт.

Мелкие электроприемники, суммарная мощность которых не превосходит 5% номинальной мощности всех электроприемников, при определении не учитываются.
В зависимости от величин р* и n * по табл. 3-6 находят величину относительного значения эффективного числа электроприемников:

и определяют эффективное число приемников умножением полученного значения на общее число электроприемников группы:

В зависимости от коэффициента использования К_и и эффективного числа приемников n э по табл. 3-7 определяется коэффициент максимума К_м.
Величины расчетных активной и реактивной мощностей группы электроприемников определяется по формулам:

где Р_см — средняя активная мощность для группы электроприемников за наиболее нагруженную смену, кВт;
tgφ — соответствует характерному для данной группы электроприемников значению фазового угла в режиме максимальной активной мощности.
Полная расчетная мощность определяется из выражения

расчетный ток — по формуле

где U ₁ — номинальное напряжение сети, кв.
Коэффициент мощности при режиме расчетной нагрузки равен:

При определении эффективного числа электроприемников для большого числа питающих линий, нескольких трансформаторных пунктов, распределительных подстанций и т. п. допускается применять упрощенную методику расчета, которая заключается в следующем.
Для отдельных линий или подстанций, для которых ранее были определены величины номинальной мощности и эффективного числа электроприемников вычисляются мощности условных электроприемников по формуле

где Р_у и n _э — соответственно номинальная мощность и эффективное число электроприемников рассматриваемой линии или подстанции.
При этом не учитывается нагрузка резервных электроприемников, ремонтных сварочных трансформаторов и других ремонтных электроприемников, пожарных насосов, а также электроприемников, работающих кратковременно (дренажные насосы, задвижки, вентили, щитовые затворы и т. п.). Нагрузка таких электроприемников учитывается только при расчете питающих эти приемники линий и линий, питающих силовые распределительные пункты, к которым они подключены.
Определение эффективного числа электроприемников, коэффициентов максимума и спроса для условных электроприемников, вычисленных по формуле (3-26), производится методом, изложенным выше для индивидуальных приемников.
При окончательном подсчете нагрузок должны быть учтены реактивные мощности присоединенных к сети батарей конденсаторов (мощности батарей статических конденсаторов учитываются со знаком «минус»), а также потери активной и реактивной мощности в понижающих трансформаторах.
Для электроприемников с малоизменяющейся во времени нагрузкой (насосы водоснабжения, вентиляторы, отопительные и нагревательные приборы, печи сопротивления и т. п.) коэффициент спроса может быть принят равным коэффициенту использования:

Изложенный метод определения расчетных нагрузок рекомендуется применять на всех ступенях и для всех элементов системы электроснабжения промышленных предприятий без введения в расчеты понижающих коэффициентов. Допускается применение коэффициента участия в максимуме в пределах 0,9—0,95 в случаях, когда при определении нагрузок на высших ступенях системы электроснабжения можно ожидать несовпадения во времени максимально загруженных смен, а также при ориентировочных расчетах.
В табл. 3-8 дано число часов использования максимальной мощности для осветительной нагрузки промышленных предприятий.

Пример 3-1.

В отделении цеха промышленного предприятия установлена группа электродвигателей на номинальное напряжение 380 в с длительным режимом работы. По величине коэффициента использования электроприемники разбиваются на три подгруппы, для каждой из которых в табл. 3-9 указаны число и мощность двигателей, суммарная номинальная мощность, величины коэффициентов использования и мощности.
Требуется определить расчетные нагрузки для всей группы электродвигателей отделения.

Теоретическая основа расчётов

Номинальная мощность электроприборов обычно указывается на шильдике на приборе или же в паспорте к нему. Если же мощность не указана, но есть показатель тока, то для расчёта применяется следующая формула:

где I – сила тока, А

U – напряжение в сети, В

Для определения суммарной мощности группы потребителей на одной линии применяется следующая формула:

Где с — коэффициент спроса,

Р₁ , Р₂ , Р₃ , Р_n — номинальные мощности отдельных приборов, Вт

Коэффициент спроса указывает на возможность одновременного включения всех приборов линии. При одновременном включении всех устройств К_с =1 . На практике это происходит редко, поэтому для жилых помещений коэффициент спроса принят на уровне 0,8 для 2х потребителей, 0,75 для 3х и 0,7 – 5 и более.

Также при расчётах мощности нужно учитывать соотношение реактивной и активной составляющих сопротивления нагрузки ( cos φ , Вт / ВА ).

Поэтому формула полной расчетной мощности будет выглядеть так:

Где cos φ — коэффициент мощности.

При расчёте мощности для жилого помещения этот коэффициент принимают равным 0,95 – 0,98. Если же планируется подключение приборов с большим индуктивным сопротивлением (например, компрессор, насос, электродрель, перфоратор), то в расчет нужно закладывать cos φ равный 0,8.

Именно этот показатель нужно использовать при построении сети, распределении нагрузки на фазы. Также на основании полученных данных производится вычисление расчётной величины силы тока:

На основании этого показателя происходит подбор сечения кабеля для проводки, а также защитной автоматики для установки в щиток.

Подводим итог

Во избежание ошибок при определении мощности стабилизатора и траты денег на прибор, который в итоге окажется бесполезным, необходимо:

• использовать при расчёте мощности нагрузки значение мощности, потребляемой электроприбором из сети, а не значение мощности, характеризующей полезную работу этого электроприбора;
• использовать при расчёте полной мощности нагрузки коэффициент мощности, соответствующий этой нагрузке, а не входной коэффициент мощности стабилизатора;
• рассчитывать мощность нагрузки с обязательным учётом пусковых токов для всех устройств, характеризующихся их высоким значением;
• при необходимости переводить Вт в ВА и анализировать мощность нагрузки в единицах измерения соответствующих единицам, на основе которых выстроен мощностной ряд стабилизаторов;
• выбирать мощность стабилизатора с учетом необходимого запаса;
• выбирать стабилизатор с номинальной мощностью выше, чем расчётная мощность нагрузки (допустимо лишь небольшое округление нагрузочной мощности в меньшую сторону, при условии наличия предварительно заложенного запаса мощности);
• выбирать трехфазный стабилизатор для однофазной нагрузки, анализируя не только номинальную выходную мощность устройства, но и мощность отдельной фазы.

Внимательность при расчетах и соблюдение всех вышеприведённых правил поможет подобрать модель стабилизатора, отвечающую требованиям вашей нагрузки. В случае возникновения любых сложностей и вопросов рекомендуем проконсультироваться со специалистами!