Баланс мощности и коэффициент полезного действия

1. Цель:

опытным путем убедиться в справедливости уравнения баланса мощности и приобрести навык определения полезной, полной мощностей и КПД.

Схема 1.

.

Таблица 1.

Расчетные формулы.

; ;  ;

 ; ;   

Контрольные вопросы.

1. Дать определение мощности.

2. В каких единицах измеряется мощность в цепи постоянного

тока?

3. Чему равен КПД в режиме холостого хода?

4. При каком режиме работы цепи мощность, передаваемая в нагрузку, максимальная?

5. При каком режиме работы ток цепи максимален?

6. Охарактеризовать режим согласованной нагрузки.

Практическая работа №8.

 Исследование законов электромагнитной индукции

1. Цель: экспериментальное изучение явления магнитной индукции, проверка правила Ленца.

Схемы опытов:

Контрольные вопросы.

1. В чем заключается суть явления электромагнитной индукции?

2. Сформулировать правило правой руки для определения направления ЭДС, наведенной в проводнике.

3. Сформулировать правило Ленца.

4. В чем заключается суть явления самоиндукции?

5. Указать единицу измерения индуктивности.

6. В чем заключается суть явления взаимной индукции?

Практическая работа №10

Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления и индуктивности

Цель:

Опытным путем изучить неразветвленную цепь переменного тока, содержащую активное сопротивление и индуктивность.

схема 1.

 Таблица 1

Расчетные формулы:

1.          2.   3. 4.    

5. 6. 7. 8.

9.

Контрольные вопросы.

1. Что представляет собой реальная катушка в электрической схеме замещения?

2. Как выглядит закон Ома для цепи с реальной катушкой индуктивности.

3. Какие виды мощности выделяются в реальной катушке и в чем они измеряются?

4. Как рассчитать коэффициент мощности?

5. Как изменяется полное сопротивление катушки при введении в нее сердечника? За счет какой составляющей?

Практическая работа №11

Исследование цепи переменного тока с последовательным соединением активного сопротивления и емкости

Цель:

Опытным путем изучить неразветвленную цепь переменного тока, содержащую активное сопротивление и емкость.

схема 1.

 Таблица 1

Расчетные формулы:

1.          2. r    3.       4.    

5. 6. 7.   8.

Контрольные вопросы.

1. Что представляет собой реальный конденсатор в электрической схеме замещения?

2. Как выглядит закон Ома для цепи с реальным конденсатором.

3. Какие виды мощности выделяются в реальном конденсаторе и в чем они измеряются?

4. Как рассчитать коэффициент мощности?

Практическая работа №12

Резонанс напряжений

1. Цель:

Опытным путем получить резонанс напряжений в последовательном колебательном контуре и исследовать его основные свойства

схема 1.

Таблица 1

Расчетные формулы:

1.          2.   3. 4. 5.

2.       

Контрольные вопросы.

1. Что такое резонанс напряжений?

2. Каковы условия резонанса напряжений?

3. Как изменится величина тока в цепи в момент резонанса напряжений?

4. Чему равен коэффициент мощности при резонансе напряжений?

5. Что показывает величина коэффициента мощности?

6. Какой характер носит полное напряжение цепи в момент резонанса напряжений?

Практическая работа №13

Исследование цепи переменного тока с параллельным соединением резистора и конденсатора

Цель:

Опытным путем изучить разветвленную цепь переменного тока, содержащую активное сопротивление и емкость.

схема 1

 Таблица 1

Расчетные формулы:

1. 2. 3. 4.

5. 6.

Контрольные вопросы.

1. Какая цепь является разветвленной?

2. Какова векторная диаграмма данной цепи?

3. Как повлияет на показания приборов увеличение емкости батареи конденсаторов?

4. Какие виды мощности выделяются в реальном конденсаторе и в чем они измеряются?

5. Как рассчитать коэффициент мощности?

Практическая работа №14

Резонанс токов

1. Цель:

Опытным путем получить резонанс токов в параллельном колебательном контуре и исследовать его основные свойства

Схема 1

Таблица 1

Расчетные формулы:

1.   2.  

 3. 4.  

5. 6.       

Контрольные вопросы.

1. Что такое резонанс токов?

2. Каковы условия резонанса токов?

3. Как изменится величина тока в цепи в момент резонанса токов?

4. Чему равен коэффициент мощности при резонансе токов?

5. Что показывает величина коэффициента мощности?

6. Какой характер носит полный ток цепи в момент резонанса токов?

Практическая работа №17.

Рекомендуемые страницы:

Баланс мощности и энергии рассчитывается для определения возможности покрытия графика нагрузки и выявления необходимости ввода новых источников энергии.

Баланс мощности

Частота переменного тока в электрической сети и напряжения в узлах являются важнейшими показателями качества электроэнергии. Общим для этих показателей является то, что они оба связаны с балансами мощностей в энергосистеме.

Значение частоты в любой момент нормального режима одинаково во всех узлах электрической сети. В то же время уровни напряжений в различных точках сети могут различаться очень сильно и одновременно в некоторых узлах соответствовать, а в других не соответствовать требованиям ГОСТ и договоров на технологическое присоединение. В этом смысле напряжение, как параметр качества электроэнергии, должно анализироваться в каждом отдельном узле энергосистемы.

Каждому моменту установившегося режима в электроэнергетической системе соответствуют балансы по активной и реактивной мощностям. Уравнения балансов мощностей можно записать в виде:

[math]displaystyle sum P_г = sum P_{нагр} + sum Delta P + sum Delta P_{сн} [/math];

[math]displaystyle sum Q_г = sum Q_{нагр} + sum Delta Q + sum Delta Q_{сн} + sum Q_{ку} + sum Q_ш [/math],

где [math]displaystyle sum P_г [/math] и [math] sum Q_г [/math] — суммарные активные и реактивные мощности генерирующих источников; [math] sum P_{нагр} [/math] и [math] sum Q_{нагр} [/math] — суммарные активные и реактивные мощности нагрузок; [math]displaystyle sum Delta P [/math] и [math]displaystyle sum Delta Q [/math] — суммарные потери мощности в элементах систем электроснабжения и электроэнергетической системы; [math]displaystyle sum P_{сн} [/math] и [math]displaystyle sum Q_{сн} [/math] — суммарные расходы мощности на собственные нужды электростанций; [math]displaystyle sum Q_{ку} [/math] — суммарные мощности компенсирующих устройств (знак «+» соответствует устройствам, потребляющим реактивную мощность, знак «-» вырабатывающим); [math]sum Q_{ку}[/math] суммарная реактивная (зарядная) мощность, генерируемая воздушными линиями электропередачи; [math] sum Q_ш [/math] — суммарная мощность шунтов ЛЭП и Тр.

Источниками активной и реактивной мощностей, являются генераторы электрических станций: тепловых, атомных, гидравлических, парогазовых и газотурбинных, кроме того источниками активной мощности могут быть генерирующие электроустановки нетрадиционных источников энергии (ветровые, приливные и геотермальные станции, солнечные батареи). В зависимости от типа и конструкции некоторые нетрадиционные источники активной энергии потребляют реактивную энергию. В то время как для синхронных генераторов электростанций режим потребления реактивной мощности может быть только кратковременным в аварийных ситуациях.

Потребителями активной и реактивной мощностей являются различные электроустановки совершающие полезную работу. При протекании электрического тока во всех элементах электрчиеской сети выделяются потери активной и реактивной мощностей. Потери можно разделить на две категории:

1. Условно-переменные — потери зависят от величины нагрузочного тока, протекающего по сетеввым элементам.
2. Условно-постоянные — потери зависят от уровней напряжения в электрической сети.

Условно-переменные потери активной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах являются следствием выделения тепла при протекании тока по обмоткам, продольные потери реактивной мощности в трансформаторах и автотрансформаторах вызваны наличием потоков рассеяния. Условно-постоянные потери активной мощности обусловлены вихревыми токами в сердечнике, а реактивные — потерями на перемагничивание сердечника.

В воздушных линиях электропередачи условно-переменные активные потери являются следствием выделения тепла при протекании тока по проводам, а реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами. К условно-постоянным активным потерям в воздушных линиях электропередачи относятся только потери на корону, поскольку токи утечки через изоляторы пренебрежимо малы в хорошую погоду. Воздушные линии электропередачи являются источниками реактивной мощности (см. схему замещения).

В кабельных линиях электропередачи условно-переменные активные потери обусловлены выделением тепла при протекании тока по жилам кабеля, а реактивные потери вызваны наличием собственных и взаимных индуктивностей между фазами, которые значительно меньше по сравнению с воздушными линиями. К условно-переменным активным потерям в кабельных линиях электропередачи относятся потери в изоляции. Кабельные линии обладают значительно большей удельной ёмкостной проводимостью фаз, чем воздушные линии.

Прочие виды потерь мощности в генераторах, компенсирующих устройствах, сборных шинах, соединительных проводах, системах учета, коммутационном и защитном оборудовании при анализе баланса мощностей обычно не учитываются по причине их малой величины и высокой погрешности оценочных расчётов.

Для обеспечения нормальной работы основного силового оборудования на электростанциях и подстанциях используется комплекс оборудования собственных нужд. Величина расхода электроэнергии на собственные нужды зависит от типа энергетического объекта, его вида (электростанция, подстанция), используемого топлива и других факторов и колеблется в интервале от 0,1 до 10 % от величины установленной мощности силового оборудования.

Баланс энергии

Составление балансов энергии позволяет получить интегральные характеристики показателей работы энергосистемы.

Мощности нагрузок энергосистемы характеризуют мгновенные показатели работы энергосистемы. Нагрузочные мощности, как отдельных потребителей, так и энергосистемы в целом носят случайный характер и не остаются неизменными в течение даже небольших временных интервалов. Эти изменения мощностей обусловлены постоянными включениями или отключениями как отдельных электроприёмников так и их групп, кроме того в сети могут меняться потоки мощностей, а значит и потери.

Для определения финансовых показателей работы энергосистемы и выполнения взаиморасчётов участников рынка электроэнергии важны не столько мощности (мгновенные значения расхода электроэнергии за единицу времени), сколько значения количества произведенной, переданной и потребленной электроэнергии за рассматриваемый промежуток времени.

Методика составления и основные показатели баланса электрической энергии регламентированы типовой инструкцией РД 34.09.101-94[1]. Шаблон составления баланса электрической энергии по ВЛ 110 кВ по данным систем АИИС КУЭ: Баланс по ВЛ 110 кВ (файл Excel).

В силу одновременности процессов производства и потребления электроэнергии, в энергосистемах в любой момент установившегося режима имеется соответствие между приходной частью баланса мощностей (суммарной мощностью электрических станций за вычетом расходов на собственные нужды) и его расходной частью (суммарной мощностью нагрузок и потерями мощности в сети) с учетом обменных перетоков мощностей с соседними энергосистемами.

Назначением баланса мощности является выявление типа проектируемой энергосистемы. Обычно проектируемая система содержит не менее двух источников питания, один из которых — проектируемая электростанция (может быть несколько) и второй — узел связи с соседними энергосистемами (балансирующий узел). Разработка баланса мощности необходима для того, чтобы облегчить разработку конфигурации вариантов развития электрической сети. Особенно важен при этом учет баланса мощности для максимального режима.

[math]displaystyle P_{бал} = sum P_{нагр} + sum Delta P + sum Delta P_{сн} — sum P_г[/math],

где [math] P_{бал} [/math] мощность балансирующего узла.

Энергосистема может быть:

• дефицитной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети превышает генерирующую мощность электростанций рассматриваемого района сети. В этом случае недостаток мощности покрывается электростанциями соседнего района через балансирующий узел ([math] P_{бал} gt 0 [/math]).
• избыточной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети меньше генерирующей мощности электростанций рассматриваемого района сети. Избыток мощности при этом выдается в соседний район через балансирующий узел ([math] P_{бал} lt 0 [/math]).
• сбалансированной, если суммарная мощность потребителей электроэнергии и потерь мощности в сети примерно равны генерирующей мощности электростанций рассматриваемого района сети. Резервирование мощности нагрузок при аварийном отключении генераторов электростанций рассматриваемого района сети осуществляется через балансирующий узел ([math] P_{бал} approx 0 [/math]).

При разработке вариантов развития дефицитной энергосистемы потребители условно разделяются на два географических района: ближайший к проектируемой электростанции и питающийся от нее район и другой район-тяготеющий к балансирующему узлу (узлу связи с соседней системой). При этом следует учитывать, что в дефицитной энергосистеме следует особое внимание уделить фактору надежности, так как при аварийном останове блока на электростанции питание большого числа потребителей должно обеспечиваться от балансирующего узла.

В случае дефицитности системы целесообразно проверить баланс мощности для послеаварийного режима. В качестве расчётного послеаварийного режима рекомендуется рассматривать аварийное отключение наиболее крупного генератора в системе и наиболее тяжёлые нормативные возмущения.

В сбалансированной энергосистеме электрическая сеть обычно строится по принципу питания потребителей от проектируемой электростанции по кратчайшим электрическим связям. Связь с балансирующим узлом предусматривается для надёжности.

Избыточная система проектируется с учетом выдачи избытка мощности в соседнюю энергосистему. При этом электростанция должна иметь надежную связь с балансирующим узлом по кратчайшему пути. При больших избытках мощности в проектируемой энергосистеме следует, наряду с другими вариантами, рассмотреть возможность передачи мощности по линии непосредственной связи электростанции с балансирующим узлом. Кроме того, при разработке вариантов развития сети в избыточной энергосистеме требуется рассмотрение не только режима максимальных, но и режима минимальных нагрузок, так как минимальный режим может оказаться более тяжелым. В связи с этим в избыточной системе обязательно составляются балансы для максимального и минимального режимов работы потребителей. Разработка баланса мощностей для минимального режима в остальных случаях также рекомендуется ввиду того, что в минимальном режиме обычно выполняются ремонты основного генерирующего оборудования электростанций.

При составлении баланса активных мощностей районы потребления, содержащие мелкие подстанции, эквивалентируются и их суммарная мощность приводится к шинам наиболее крупных подстанций данного района с учётом потерь мощности в распределительной электрической сети. Эта подстанция становится питающей для района местной сети и, в свою очередь, получает питание по системообразующей сети наиболее высокого класса напряжения, чем в местной сети. Этот прием существенно уменьшает объем задачи проектирования сети, так как позволяет независимо решать вопросы разработки конфигурации системообразующей и распределительной сетей.

Перед составлением баланса мощности ориентировочно определяются классы напряжения системообразующей и местной сетей с целью выявления уровней потерь мощности.

Баланс по реактивной мощности целесообразно составлять для того, чтобы определить потребность в средствах компенсации реактивной мощности в проектируемой энергосистеме. При этом необходимо обеспечить соответствие между обменными потоками активной и реактивной мощностей с соседней энергосистемой, следует обеспечить по возможности более высокий коэффициент мощности обменного потока.

Ориентировочные усреднённые значения суммарных потерь электрической энергии в сетях различных классов напряжения приведены в таблице ниже. Значения даны в процентах от суммарного отпуска электроэнергии из сети данного класса напряжения.

Данную таблицу можно использовать при составлении предварительного баланса энергии.

Примерная структура потерь с разбивкой по сетевым элементам представлена в таблице ниже.

Максимальную величину потребления собственных нужд электростанций приближённо можно оценить в процентах от установленной мощности блока электростанции. Ориентировочные процентные значения мощности собственных нужд электростанций приведены в таблице ниже. Большие значения нагрузки соответствуют меньшим единичным мощностям энергоблоков.