ПРИНЦИПЫ ОЦЕНИВАНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

СЕТЕЙ ПО ДЛИТЕЛЬНОМУ НАГРЕВУ

 

Авторы:  В.И. Скоробогатова

Источник:  Вісник Чернігівського державного технологічного університету "Технічні науки" – 2011 р., №1(47), – С. 31-34.

 

Физическую сущность любой технической задачи отражают одно или несколько ключевых понятий и определений. Именно ими предопределяется логика, методология решения задачи и обусловливается допустимый уровень методической погрешности конечных результатов. В задаче оценивания действующих электрических сетей (ДЭС) по длительному нагреву таким понятием является «расчетная электрическая нагрузка элемента ДЭС по длительному тепловому действию» ( далее по тексту «электрическая нагрузка ДЭС»).

В литературе встречается множество терминов, синонимичных понятию «электрическая нагрузка ДЭС», а именно: «электрическая нагрузка по допустимому нагреву», «расчетная нагрузка», «получасовой максимум», «греющий максимум» и др. [1,  2]. Все эти термины, как и «электрическая нагрузка ДЭС», не стандартизованы по определению.

Учитывая, что в настоящее время нормативным руководством для практического оценивания электрических нагрузок по длительному тепловому действию в ДЭС являются Указания по расчету электрических нагрузок в промышленных установках [3], именно их следует рассматривать в качестве нормативного документа по терминам и определениям, соответствующим конечным результатам оценивания (электрическим нагрузкам ДЭС).

В подразделе «Определения и обозначения основных величин» Указаний [3] представлены два определения электрической нагрузки. Первое выражено через ее составляющую по активной мощности, названную « расчетная активная мощность», и изложено в следующей редакции: «... расчетная активная мощность соответствует такой длительной нагрузке током, которая эквивалентна ожидаемой изменяющейся нагрузке по наиболее тяжелому тепловому действию (максимальной температуре) или тепловому износу изоляции проводника или трансформатора». Второе определение представлено через максимальные значения составляющих электрической нагрузки (по мощностям) и в целом (по току) и изложено в такой редакции: «... расчетные максимальные значения активной, реактивной, полной мощностей или тока представляют собой наибольшие из соответствующих средних величин за некоторый промежуток времени (например, 10, 15, 30 минут)».

Сравнивая оба определения, нетрудно заметить, что физическую сущность расчетной электрической нагрузки по тепловому воздействию на элементы электрической сети в большей степени отражает первое определение. Это объясняется тем, что критерием оценивания нагрузки в нем является максимум полного тока. Но полные токи при этом предлагается оценивать как линейно интегрированные величины, не увязывая пределы интегрирования ни с конструктивными особенностями нагреваемых токами элементов, ни с условиями окружающей их среды. То есть, согласно Указаниям [3] пределы интегрирования для всех элементов сети однозначны и равны 30 минутам. Обоснование однозначности интегрирования представлено в самой работе и словесно выражено так: «... отсутствуют нормы теплового износа изоляции токоведущих частей электрооборудования»; «... полчаса близки к трем постоянным времени нагрева часто применяемых проводников малых и средних сечений»; «... для единообразия расчетной методики определения нагрузок элементов электрической сети».

Во втором определении электрической нагрузки ее составляющие (по мощностям) соотнесены не с наибольшей длительной нагрузкой по току, а с наибольшими линейно интегрированными оценками их самих. Пределы интегрирования в этом определении также не зависят ни от конструктивных особенностей элементов, ни от окружающей их среды, но в отличие от первого определения, они не однозначны и приравнены «... некоторому промежутку времени (например, 10, 15, 30 минут)» [3].

Как видно, налицо семантическая несогласованность обоих определений электрической нагрузки и это проявляется, в первую очередь, в неадекватности критериев оценивания. Логично предположить, что авторы работы [3] исходили из следующих предположений: законы изменения мощностных составляющих оцениваемой электрической нагрузки тождественны по монотонности; напряжение электрической сети, если и изменяется, то согласно принципу электротехники (т.е. изменяется обратно пропорционально нагрузке). Вряд ли можно найти другое объяснение наличия в одной методике двух различных трактовок одного и того же оцениваемого параметра.

Поскольку законы изменения исходных параметров энергетических состояний электрических сетей априори не известны на стадии их проектирования, то такого рода предположения имеют право на существование. Что же касается действующих электрических сетей, то эти предположения требуют выполнения процедуры идентификации. В противном случае возможны ситуации, когда интегральные оценки электрической нагрузки элемента ДЭС по току и по мощностям не совпадут во времени, т.е. будет иметь место нарушение принципа адекватности между нагревом элемента и его математической оценкой.

Так, получасовая нагрузка по активной мощности двух трехжильных силовых кабелей АСБ сечением 185 мм², передающих электрическую энергию от понизительной подстанции ФПС1 Запорожского алюминиевого комбината к распределительной подстанции 10 кВ КП-2, согласно первому определению электрическая нагрузка составляет 5164 кВт, а согласно второму – 6471 кВт. Как видно, вторая оценка превышает первую более, чем на 25 %.

Получасовая нагрузка по реактивной мощности одного из силовых трансформаторов ГПП М1 комбината «Запорожсталь» серии ТРДН-63000-150/6,3 согласно первому и второму определениям составляет 8640 и 12240 кВАрсоответственно, т.е. вторая оценка превышает первую более, чем на 40 %.

Приведенные выше оценки электрических нагрузок по длительному нагреву намеренно взяты из систем электроснабжения, графики нагрузок которых достаточно равномерны и значимо заполнены. С ростом неравномерности графиков нагрузок расхождение в оценках одной и той же электрической нагрузки значительно увеличивается.

В настоящее время при интегральном оценивании электрических нагрузок ДЭС пользуются принципом получасового усреднения исходных параметров энергетических состояний электрических сетей (для всех типов электроустановок). В Правилах [4] этот принцип закреплен как нормативный. Так, в главе 1.3 Правил сказано, что «... при проверке на нагрев принимается получасовый максимум тока, который представляет собой наибольший из средних получасовых токов». И там же приведены численно не равные допустимые температуры нагрева проводников разных типов и назначений (при фиксированных значениях температуры окружающей среды и напряжения).

Согласно теории нагрева полная теплоемкость электроустановки пропорциональна температуре его перегрева относительно окружающей среды [5]. Этот факт позволяет рассматривать в качестве обоснования утверждение, что тепловое воздействие одной и той же по величине электрической нагрузки на отличающиеся по конструкции и материалу электроустановки не может быть одинаковым, как и в ситуации с электроустановками, находящимися в разных окружающих средах. То есть принцип однотипного (получасового) усреднения исходных параметров энергетических состояний ДЭС противоречит физическим основам теории нагрева.

Так, для указанных выше силовых кабелей АСБ (3х185) продолжительность времени минимального интервала усреднения, обусловленная их допустимой нагрузкой, конструкцией и условиями окружающей среды, равна примерно 80 минутам, что превышает получасовую продолжительность более, чем в 2,5 раза. Обмоткам высокого напряжения трансформатора ТРДН-63000-150/6,3 соответствует минимальный по времени интервал усреднения, продолжительность которого более чем в 2 раза превышает получасовый и равна примерно 70 минутам.

Таким образом, приведенные в Указаниях [3] определения электрической нагрузки семантически не тождественны и противоречат физико-технической сущности нагрева проводника электрическим током. Объясняется это неучтенным фактором функционально-параметрической связи между электрической нагрузкой и конструктивно-эксплуатационными параметрами  нагреваемых электроустановок.

Оценивание установившихся режимов проектируемых и действующих электрических сетей систем электроснабжения, как известно, не ограничивается расчетами электрических нагрузок по длительному нагреву электроустановок. В него входят расчеты прогнозируемых и фактических нагрузочных потерь электроэнергии (прежде всего, активной Δ w_a). Для этого применяется одно из трех математических выражений [6]:

 

,                                                 (1)

,                                          (2)

,                                                   (3)

 

 где І_р, Р_р, Q_р – оценки получасовых максимумов электрической нагрузки участка сети по току, активной и реактивной мощностям соответственно;

τ_р, τ_Q, Т – продолжительность времени максимальных потерь по активной и

реактивной мощностям и продолжительность в целом установившегося режима соответственно;

R – активное сопротивление участка электрической сети с нагрузкой I_р(P_р , Q_р);

U – номинальное напряжение;

I_ск – оценка среднеквадратической электрической нагрузки участка сети по току.

Несмотря на электротехническую тождественность выражений (1) – (3), оценки потерь электроэнергии по каждой из них будут разными из-за информационных и методических погрешностей.

Методическая погрешность в выражениях (1) и (2) обусловлена детерминированностью оценок нагрузки, ее стационарностью (распространением оценок нагрузки с получасового интервала времени на интервал продолжительностью τ), неопределенностью оценок τ_р, τ_Q из-за многофакторной стохастичности (по энергопотреблению, по продолжительности нагрузки, по регулирующему эффекту нагрузки, по неопределенности структурного состояния системы электроснабжения).

Наличие в выражении (3) оценки электрической нагрузки І_ск как интегральной величины не снижает методическую погрешность вычисления Δ w_a из-за представления в нем электрической нагрузки в виде дискретных и детерминированных графиков с детерминированной продолжительностью параметра Т.

Таким образом, существующие нормативные принципы оценивания установившихся режимов действующих электрических сетей требуют пересмотра как не обеспечивающие должного качества результатов оценивания энергетических состояний.

Список литературных источников

1.    Шидловский А.К., Вагин Г.Я., Куренный Э.Г. Расчеты электрических нагрузок систем электроснабжения промышленных предприятий. – М.: Энергоатомиздат, 1992. – 224 с.

2.    Волобринский С.Д., Каялов Г.М., Клейн П.Н., Мешель Б.С. Электрические нагрузки промышленных предприятий. – Л.: Энергия, 1971. – 264 с.

3.    Указания по определению электрических нагрузок в промышленных установках //Инструктивные указания по проектированию электротехнических промышленных установок Тяжпромэлектропроекта. – 1968. – № 6. – С. 3-17.

4.    Правила устройства электроустановок. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 640 с.

5.    Михеев М.А. Основы теплопередачи. – М.: Энергия, 1977. – 343 с.

6.    Потери электроенергии в электрических сетях энергосистем /Воротницкий В.Э., Железко Ю.С., Казанцев В.Н. и др. /Под ред. В.Н. Казанцева. . – М.: Энергоатомиздат, 1983. – 368 с.