Совершенствование систем электроснабжения подземных потребителей шахт. Расчет схемы электроснабжения ЦПП до участка и выбор фазокомпенсирующих устройств

Следует помнить об условности толкования Q как мощ­ности. Только активная мощность Р может совершать ра­боту и преобразовываться в механическую, тепловую, све­товую и химическую энергию. Активная мощность обуслов­лена преобразованием энергии первичного двигателя, полученной от природного источника, в электроэнергию. Реактивная мощность не преобразуется в другие виды мощности, не требует для ее производства затраты дру­гих видов энергии, не совершает работу и поэтому условно называется мощностью.

Аналогия реактивной мощности с активной состоит в сходстве аналитического выражения, в том, что электро­приемники потребляют не только активную, но и реактив­ную мощность, так как процессы передачи и потребления электроэнергии неразрывно связаны с возникновением магнитного и электрического полей, в зависимости и актив­ной, и реактивной мощности от напряжения и частоты в соответствии со статическими характеристиками, в зависи­мости потерь в сетях от потоков и активной, и реактивной мощности, в одинаковом способе измерения активной и ре­активной мощности. Для расчета режимов в цепях синусо­идального тока реактивная мощность является очень удоб­ной характеристикой, широко используемой на практике.

К потребителям реактивной мощности в электроустановках горных предприятий относятся асинхронные двигатели, транс­форматоры, преобразователи, сварочные трансформаторы, а также реакторы и электрические сети. Поскольку с изменением нагрузки приемников реактивная мощность изменяется незначи­тельно, основной причиной повышенного потребления реактив­ной мощности являются выбор приемников с чрезмерным запа­сом мощности, а также работа приемников в режиме холостого хода.

Передача реактивной мощности:

а) снижает пропускную способность элементов схемы элек­троснабжения (генераторов, трансформаторов, линий и т. д.) по активной мощности, поскольку пропускная способность по полной мощности является неизменной;

б) вызывает дополнительные потери активной мощности на передачу реактивной мощности;

в) вызывает дополнительные потери напряжения в линиях, трансформаторах, реакторах.

Для устранения недостатков, связанных с передачей реак­тивной мощности, необходимо применять меры и средства для ее компенсации:

а) повышать загрузку электродвигателей за счет рациональ­ного изменения технологического процесса;

б) ограничивать время работы двигателей на холостом ходу, применяя в случае необходимости автоматические ограничители холостого хода, если продолжительность межоперационного пе­риода превышает 10 с;

в) заменять длительно незагруженные двигатели менее мощ­ными, используя заменяемые электродвигатели в другом месте, если изъятие избыточной мощности вызывает уменьшение по­терь активной энергии в энергосистеме;

г) рационализировать работу трансформаторов, переводя их нагрузки на другие трансформаторы и отключая на время спада нагрузки, а также заменяя менее мощными трансформаторами, если их средняя загрузка составляет менее 30% номинальной мощности;

д) установка на предприятии специального электрооборудова­ния, компенсирующего реактивную мощность (допускается только с разрешения энергосистемы).

Для компенсации реактив­ной мощности применяются статические конденсаторы, синхрон­ные электродвигатели, синхронные компенсаторы.

Величина требуемой реактивной мощности Q _К компенсирую­щих устройств определяется по формуле:

где Q _М – реактивная нагрузка предприятия в режиме наиболь­ших активных нагрузок энергосистемы;

Q _С – наибольшее значение реактивной мощности, переда­ваемой энергосистемой в сеть предприятия в режиме наибольших активных нагрузок энергосистемы.

В данной работе рассмотрим наиболее простой с технической точки зрения вариант компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторных батарей. Наиболее простой способ компенсации с экономической точки зрения, установка компенсирующих устройств на ГПП. Но он не решает компенсацию реактивной мощности непосредственно в отдельных ветвях системы.

Конденсаторные установки могут выполнять ком­пенсацию реактивной мощности, регулирование напря­жения, создание симметричного режима, устранение гар­моник в устройствах соответствующих фильтров и др. При решении задачи выбора мощности конденсаторных установок и размещения их в распределительных сетях необходимо учитывать: номинальное напряжение сети, где предполагается их установка; допустимые колебания напряжения в сети; график потребляемой реактивной мощности и характеристики основных потребителей дан­ной сети отключающую способность коммутационной аппаратуры; возможность возникновения резонансных явлений; применение автоматического регулирования мощности конденсаторных установок; потребность в реактивной мощности не только в системе в целом, но и для всего района с соответствующим учетом необходимого резерва; номенклатуру выпускаемых заводами комплект­ных конденсаторных установок; экономический эффект от использования конденсаторных установок; возмож­ность регулирования напряжения с помощью трансформаторов с РПН и конденсаторных установок.

Передача реактивной мощности во многих случаях экономически целесообразна в пределах одной ступени трансформации, а конденсаторные установки выгодно размещать вблизи мест потребления реактивной мощ­ности.

Целесообразно применять КУ с автоматическим регу­лированием мощности, а суммарная мощность нерегули­руемых КУ не должна превышать наименьшую реактивную нагрузку в данной сети. Управляемые КУ с номи­нальным напряжением ниже 1000 В могут оказаться бо­лее экономичными вследствие их большего технико-эко­номического эффекта и меньшей стоимости коммутацион­ных аппаратов. В сетях же напряжением выше 1000 В удельная стоимость самих конденсаторов ниже, а стои­мость коммутационной аппаратуры для автоматического управления секциями значительно выше. Частота вклю­чений и отключений секций КУ при прочих равных условиях больше для КУ, присоединяемых к сетям на­пряжением до 1000 В, и меньше для КУ, присоеди­няемых к сетям напряжением выше 1000 В.

Конденсаторные установки поперечной компенсации в зависимости от результатов произведенных технико-экономических расчетов могут размещаться в распреде­лительных сетях 660/1140 В и 6/10 кВ на шинах подстанций и непосредственно на воздушных линиях передачи. Сов­местное использование регулирующего и компенсирую­щего эффектов рассредоточенных конденсаторных уста­новок малой и средней мощности более экономично, чем использование крупных конденсаторных установок.

Исходя из номенклатуры, намечаемой к выпуску за­водами, рекомендуется применять для низкого напряже­ния следующие мощности КУ в единице 80, 100, 150, 200, 300, 400, 540 квар с аппаратурой дистанционного управ­ления, а для осветительных нагрузок низкого напряже­ния – с мощностью в единице порядка 30 – 150 квар, подключаемые непосредственно без выключателей к освети­тельным сетям. На напряжении 6/10 кВ рекомендуется применять мощность КУ в единице: 300, 450, 600, 750, 900, 1050, 1200 квар с присоединением через отдельные выключатель.

Величина капитальных затрат на конденсаторную ус­тановку определяется мощностью, напряжением, наличи­ем автоматического регулирования, типом распредели­тельных устройств, используемых при подключении уста­новки к электрической сети. С увеличением мощности конденсаторной установки удельные характеристики сни­жаются, так как стоимость и монтаж коммутационной, защитной, измерительной, разрядной аппаратуры, а так­же вводных ячеек и аппаратуры автоматического регу­лирования почти не зависят от мощности конденсатор­ной установки.

Способы компенсации реактивной мощности.

При работе в электрических системах мощных генераторов с высоким коэффициентом мощности, ро­стом протяженности сетей 220, 330, 500 кВ передача реактивной мощности от электростанции к местам ее потребления экономически нецелесообразна. Источника­ми реактивной мощности являются не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, синхронные двигатели, работающие в режиме перевоз­буждения, регулируемые конденсаторные установки и др.

Увеличение потоков реактивной мощности в элемен­тах сети приводит к изменению напряжения в различных ее точках, поэтому одновременно с компенсацией реак­тивной мощности должен решаться вопрос регулирова­ния напряжения в сети. Для этих целей в последнее время получили широкое распространение конденсатор­ные установки, размещаемые в любых точках распреде­лительных сетей напряжением 0,66 – 10 кВ в непосредст­венной близости к месту потребления реактивной мощ­ности. При этом можно или полностью отказаться от регулируемых под нагрузкой цеховых трансформаторов, или значительно уменьшить их диапазон регулирования, что даст снижение потери энергии в сетях и улучшает качество напряжения у электроприемников.

Для покрытия реактивной мощности косинусными конденсаторами в сетях горных предприятий получили распространение централизованная, групповая и индивидуальная виды компенсации (рис.10.1). При централизованной компенсации на стороне высшего на­пряжения (рис.10.1,а), когда конденсаторная установка подсоединяется к шинам б/10 кВ трансформаторной подстанции, получается хорошее использование конден­саторов, их требуется меньше и стоимость 1 квар получа­ется минимальной по сравнению с другими способами. При компенсации по этой схеме разгружаются от реактивной мощности только расположенные выше звенья энергосистемы: питающие сети 6/10 кВ, трансформа­торы главных подстанций 110/6 кВ, питающие линии электропередачи 110 кВ и генераторы электрических станций. Распределительные же сети питающих транс­форматоров не разгружаются от реактивной мощности, а следовательно, потери электроэнергии в них не умень­шаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены.

Рис.10.1 Способы компенсации реактивной мощности в сетях

про­мышленных предприятий

а – централизованная на стороне высшего напряжения; б – централизованная на стороне низшего напряжения; в – групповая; г – индивидуальная.

При централизованной компенсации на стороне низ­шего напряжения (рис.10.1,б), когда конденсаторная установка подсоединяется к шинам 0,66 кВ трансформа­торной подстанции, от реактивной мощности разгружа­ются не только сети 6/10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, а внутризаводские распределительные сети 660/1140 кВ остаются неразгруженными. При групповой ком­пенсации (рис.10.1,в), когда конденсаторные установки устанавливаются на штреках и присоединяются непосредст­венно к участковым распределительным пунктам (РП) или кабели 0,66 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на .подстанции м питательные сети 0,66 кВ. Неразгруженными остаются только распредели­тельные сети к отдельным электроприемникам.

В целях равномерного распределения компенсирую­щих устройств целесообразно подключать конденсатор­ную установку к шинам (РП) таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более полови­ны мощности подключаемой конденсаторной установки.

При индивидуальной компенсации (рис.10.1,г), когда конденсаторная установка подключается непосредствен­но к зажимам потребляющего реактивную мощность электроприемника, такой способ является наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощ­ности питательной и распределительной сетей трансфор­маторов и сетей высшего напряжения, но при этом полу­чается относительно недостаточное использование кон­денсаторных установок, так как при отключении электро­приемника отключается и его конденсаторная установка. В целом по всей шахте потребуется большая установленная мощность конденсаторов. Индивидуаль­ная компенсация целесообразна при высоком коэффици­енте одновременности для некоторых видов электропри­емников, являющихся постоянными потребителями реактивной мощно­сти.

Преимуществом индивидуальной компенсации явля­ется и то, что для конденсаторной установки использу­ется то же пусковое устройство, что и для электроприемника, а разрядным сопротивлением служит электро­приемник. Возможны также варианты комбинированного размещения конденсаторных установок. Все рассмотрен­ные выше способы компенсации имеют положительные стороны, благодаря чему каждый из них находит свое применение.

Определение наивыгоднейших решений выбора спо­соба компенсации реактивной мощности производится на основании технико-экономических расчетов тщатель­ных исследований производственных условий, факторов конструктивного характера и т.д. При выборе места размещения конденсаторной установки в распредели­тельной сети необходимо учитывать ее влияние на режим напряжения и величину потерь энергии в сети.

Как правило, компенсация реактивной мощности дол­жна производиться в той же сети (на том же напряже­нии), где она потребляется, три этом будут минималь­ные потери энергии, а следовательно, и меньшие мощ­ности трансформаторов. Но могут быть и исключения. Например, на предприятии установлено большое коли­чество двигателей напряжением 0,66 кВ с коэффициентом мощности 0,4 – 0,6. Для решения этого вопроса можно принять индивидуальную компенсацию, т.е. установку конденсаторов около каждого двигателя. Однако с уче­том технологии данного производства эти двигатели ра­ботают в течение смены с большими перерывами и из­меняющейся нагрузкой. Таким образом, установка индивидуальной компенсации будет экономически невы­годна из-за недоиспользования большой установленной мощности конденсаторов, а если учесть, что нельзя уста­новить конденсаторы внутри шахты из-за наличия газа и пыли и недостаточной вентиляции, то следует проверить возможность групповой компенсации на напряжения 660/1140 В.

Но для групповой компенсации необходимо место внутри ПУПП для размещения конденсаторной установки, а его может не оказаться. Следовательно, осуществить компенсацию реактивной мощности в той же сети 660/1140 В, где она потребляется, в данном случае не представилось возможным.

При анализе участковой сети напряжением 660/1140 В на данном предприятии, а также в связи с неэкономич­ным использованием конденсаторных установок у мало­загруженных двигателей и наличием места в распреде­лительном устройстве (РУ) 6 кВ подстанции для установ­ки конденсаторов напряжением 6 кВ наиболее приемле­мым и экономически оправданным оказался централи­зованный способ компенсации реактивной мощности на шинах 6 кВ ЦПП.

При компенсации реактивной мощности необходимо также учитывать характер изменения нагрузки внутри шахты. Если нагрузка шахты подвергается значи­тельным колебаниям реактивной мощности, необходимо установить конденсаторную установку с автоматическим регулированием ее мощности. При загрузке большей ча­сти графика постоянной реактивной нагрузкой возможна установка в соответствующей части постоянно включен­ной нерегулируемой конденсаторной установки, а осталь­ную часть конденсаторной установки предусматривают с автоматическим регулированием ее мощности в зави­симости от графика реактивной мощности предприятия. Кроме установки специальных компенсирующих уст­ройств, для выравнивания графика реактивной нагрузки на промышленных предприятиях, необходимо стремиться к уменьшению передачи реактивной мощности по элект­рическим сетям естественными мерами: за счет упорядо­чения технологического процесса, улучшения режима ра­боты электроприемников и др.

Проведем расчет фактических токов и анализ вводных кабелей энергосистемы шахты Комсомольская:

где Р _р – взята из данных предоставленных службой главного энергетика ш. Комсомольская;

cosj – (средневзвешенный) предоставлен службой главного энергетика ш. Комсомольская;

U – 660 В – для питания низковольтных потребителей;

U – 1140 В – для питания наиболее мощных низковольтных потребителей;

U – 6000 В – для питания подземных понизительных подземных подстанций, и наиболее мощных асинхронных двигателей.

где К_от = 1 – коэффициент изменения напряжения трансформаторной подстанции при положении отпайки 0;

– коэффициент трансформации трансформаторной подстанции;

К_с – коэффициент спроса предоставленный службой главного энергетика.

10.1 Расчет токовых нагрузок по блоку «Северный»

Токоприемники РПП-4С (ДП.180400.06)

Для ТП №32: Р_уст = 107 кВт; Р_рас = 43 кВт; К_с = 0,4.

Фактический ток нагрузки:

Ток нагрузки ТП:

Для ТП №40: Р_уст = 230 кВт; Р_рас = 115 кВт; К_с = 0,5.

Фактический ток нагрузки:

Ток нагрузки ТП:

Для ТП №51: Р_уст = 40 кВт; Р_рас = 20 кВт; К_с = 0,5.

Фактический ток нагрузки:

Ток нагрузки ТП:

Для ТП №82: Р_уст = 40 кВт; Р_рас = 24 кВт; К_с = 0,6.

Фактический ток нагрузки:

Ток нагрузки ТП:

Расчет сечения вводных кабелей РПП-4С

Ввод №1 L = 1635 м сеч. 3х70 кв. мм

Ввод №2 L = 1705 м сеч. 3х70 кв. мм

Р_{сум. рас} = 43 + 115 + 20 + 24 = 202 кВт

Фактический ток нагрузки:

Ток нагрузки токоприемники РПП-4С:

Суммарный расчетный ток В.Н. – 367 А; расчетная нагрузка на ввод – 2114 кВт

При действующих токоприемниках РПП-4С вводные кабели на РПП-4С проходят проверку как в нормальном, так и в аварийном режимах (табл. 10.1).

Дальнейшие расчеты идентичны, сведем их в таблицу:

Таблица 10.1