Проектирование электроустановок - Силовая нагрузка электроустановки

A - Общие правила проектирования электроустановок
4 Силовая нагрузка электроустановки

Чтобы спроектировать электроустановку, необходимо оценить максимальную мощность, которая будет потребляться из питающей электросети.
Проектирование на основе простой арифметической суммы мощностей всех потребителей, подключенных к электроустановке, представляет собой крайне неэкономичный подход и недобросовестную инженерную практику.
Цель данной главы состоит в демонстрации способов оценки определенных факторов с учетом разновременности (работы всех устройств данной группы) и коэффициента использования (например, электродвигатель не работает, как правило, при своей полной мощности и т.д.) всех действующих и предполагаемых нагрузок. Приводимые значения основаны на опыте и зарегистрированных результатах работы действующих установок. Кроме обеспечения основных проектных данных по отдельным цепям установки в результате получаются общие значения всей установки, на основе которой могут определяться требования к системе питания (распределительная сеть, трансформатор высокого/низкого напряжения или генератор).
4.1 Установленная мощность (кВт)

Установленная мощность есть сумма номинальных мощностей всех устройств-потребителей мощности в установке.
Это не есть мощность, которая будет потребляться фактически.
Большинство электроприемников (ЭП) имеет маркировку своей номинальной мощности (Pn). Установленная мощность есть сумма номинальных мощностей всех ЭП в электроустановке. Это не есть та мощность, которая будет потребляться фактически. В случае электродвигателей номинальная мощность является мощностью на его валу. Очевидно, что потребляемая из сети мощность будет больше.
Люминесцентные и разрядные лампы со стабилизирующими балластными сопротивлениями (дросселями) являются другими примерами, когда номинальная мощность, указанная на лампе, меньше мощности, потребляемой лампой и ее балластным сопротивлением (дросселем). Методы оценки фактического потребления мощности двигателями и осветительными приборами приводятся в разделе 3 данной главы.
Потребление мощности (кВт) необходимо знать для выбора номинальной мощности генератора или батареи, а также в случае учета требований к первичному двигателю. Для подачи мощности от низковольтной системы электроснабжения или через трансформатор высокого/низкого напряжения, определяющей величиной является полная мощность в кВА.

Установленная полная мощность обычно полагается равной арифметической сумме полных мощностей отдельных ЭП. Однако, максимальная расчетная полная мощность не равна общей установленной полной мощности.
4.2 Установленная полная мощность (кВА)
Установленная полная мощность обычно полагается равной арифметической сумме полных мощностей отдельных ЭП. Однако, максимальная потребляемая мощность, которая должна подаваться, не равна общей установленной полной мощности. Потребление полной мощности нагрузкой (которая может являться одним устройством) рассчитывается на основе ее номинальной мощности (при необходимости с поправкой, как указывается выше, для двигателей и т.д.) с использованием следующих коэффициентов:
П: КПД = выходная мощность / входная мощность
cos φ: коэффициент мощности = кВт / кВА
Полная (кажущаяся) мощность, потребляемая электроприемником:
Pa = Pn /(n x cos <)
Из этого значения выводится полный ток la (A)(1), потребляемый ЭП:

для 3-фазной симметричной нагрузки, где: V - фазное напряжение (В); U - линейное напряжение (В).
Следует отметить, что, строго говоря, полная мощность не является арифметической суммой расчетных номинальных значений полной мощности отдельных потребителей (если потребители имеют разный коэффициент мощности).
Однако, общепринято делать простое арифметическое суммирование, результат которого дает значение кВА, которое превышает действительное значение на допустимый «расчетный запас». Когда неизвестны некоторые или все нагрузочные характеристики, значения, приводимые в рис. A9 на следующей странице, могут использоваться для получения приблизительной оценки потребления полной мощности в ВА (как правило, отдельные нагрузки слишком малы, чтобы выражаться в кВА или кВт).

для одного ЭП с подсоединением между фазой и нейтралью.

(1) Чтобы повысить точность, необходимо учитывать коэффициент максимального использования, как разъясняется в п.4.3.
Оценки удельной плотности осветительных нагрузок основаны на общей площади 500 м2.

* Пример: лампа 65 Вт (исключая балластное сопротивление), 5100 люмен (лм),
светоотдача лампы = 78,5 лм / Вт. Рис. A9: Оценка установленной полной мощности
4.3 Оценка максимальной нагрузки (кВА)
Все отдельные ЭП не обязательно работают при полной номинальной мощности и одновременно. Коэффициенты ku и ks позволяют определить максимальную полную мощность электроустановки.
Коэффициент максимального использования (ku)
В нормальных режимах работы потребление мощности обычно меньше номинальной мощности. Это довольно частое явление, которое оправдывает применение коэффициента использования (ku) при оценке реальных значений.
Этот коэффициент должен применяться для каждого ЭП, особенно для электродвигателей, которые крайне редко работают при полной нагрузке.
В промышленной установке этот коэффициент может оцениваться по среднему значению 0,75 для двигателей.
Для освещения лампами накаливания этот коэффициент всегда равен 1.
Для цепей со штепсельными розетками этот коэффициент полностью зависит от типа приборов,
питаемых от штепсельных розеток.
Коэффициент одновременности (ks)
Практически одновременная работа всех ЭП определенной установки никогда не происходит, т.е. всегда существует некоторая степень разновременности, и этот факт учитывается при расчете путем применения коэффициента одновременности (ks).
Коэффициент ks применяется для каждой группы ЭП (например, запитываемых от главного или вторичного распределительного устройства). Определение этих коэффициентов входит в ответственность конструктора, поскольку требует детального знания установки и условий работы отдельных цепей. По этой причине невозможно дать точные значения для общего применения.
Коэффициент одновременности для жилой застройки
Некоторые типовые значения для этого случая приводятся на рис. A10 на следующей странице и применяются для бытовых потребителей с питанием 230/400 В (3-фазная 4-проводная сеть). В случае потребителей, использующих электрические обогреватели для отопления, рекомендуется коэффициент 0,8, вне зависимости от числа электроприемников (ЭП).
4 Силовая нагрузка электроустановки

Рис. A10: Значения коэффициента одновременности для жилой застройки
Пример (см. рис. A11):

Пятитиэтажное жилое здание с 25 потребителями с установленной мощностью 6 кВА для каждого. Общая установленная мощность для здания: 36 + 24 + 30 + 36 + 24 = 150 кВА. Полная мощность, потребляемая зданием: 150 x 0,46 = 69 кВА.
С помощью рис. А10 можно определить величину тока в разных секциях общей питающей магистрали всех этажей. Для стояков, запитываемых на уровне первого этажа, площадь поперечного сечения проводников может постепенно снижаться от нижних к верхним этажам. Как правило, такие изменения сечения проводника производятся с минимальным интервалом в 3 этажа.
A17
В этом примере, ток, поступающий на стояк на уровне первого этажа, равен:  Ток, поступающий на 4-й этаж, равен:

Рис. A11: Применение коэффициента одновременности (ks) для жилого 5-этажного здания
Коэффициент одновременности для распределительных устройств
Рис. A12 показывает теоретические значения ks для распределительного устройства, запитывающего ряд цепей, для которых отсутствует схема распределения нагрузки между ними. Если цепи служат в основном для осветительных нагрузок, целесообразно принять значения ks, близкие к единице.

Рис. A12: Коэффициент одновременности для распределительных устройств (МЭК 60439)
Коэффициент одновременности в зависимости от назначения цепи
Значения коэффициента ks, которые могут использоваться для цепей, питающих стандартные нагрузки, приводятся на рис. A13.

В определенных случаях, в частности, для промышленных установок, этот коэффициент может быть выше.
Учитываемый ток равен номинальному току двигателя, увеличенному на треть его пускового тока.
Рис. A13: Коэффициент одновременности в зависимости от назначения цепи
4.4 Пример применения коэффициентов ku и ks
Пример оценки максимальных мощностей (кВА), потребляемых на всех уровнях электроустановки приводится на рис. A14 (следующая страница).
В этом примере, общая установленная полная мощность составляет 126,6 кВА, что соответствует расчетной максимальной мощности на низковольтных зажимах трансформатора высокого/низкого напряжения, величиной 65 кВА.
Примечание: при выборе сечений кабелей для распределительных цепей установки, ток I (А) через цепь определяется по следующей формуле:

где:
S - значение максимальной 3-фазной полной мощности цепи (кВА); U - междуфазное (линейное) напряжение (В).
4.5 Коэффициент разновременности
A - Общие правила проектирования электроустановок    1 Методология

Коэффициент разновременности, как определяется в нормах МЭК, эквивалентен коэффициенту одновременности (ks), используемому в данном Руководстве (см. п. 4.3). Однако, в некоторых англоязычных странах (на момент выпуска Руководства) коэффициент разновременности является величиной, обратной коэффициенту ks, т.е. u 1.

Рис. A14: Пример оценки максимальной ожидаемой мощности установки (используемые значения коэффициента служат только в справочных целях)
4.6 Выбор номинальной мощности трансформатора
Когда электроустановка питается непосредственно от трансформатора высокого/низкого напряжения, и определена максимальная полная мощность установки, необходимо определить соответствующую номинальную мощность трансформатора с учетом следующих факторов (см. рис. A15):
Возможность повышения коэффициента мощности установки (см. главу L).
Ожидаемые расширения установки.
Ограничения по эксплуатации установки (например, температура).
4 Силовая нагрузка электроустановки
A19
Стандартные номинальные параметры установки.

Рис. A15: Стандартные полные мощности трансформаторов высокого/низкого напряжения и соответствующие номинальные токи

4 Силовая нагрузка электроустановки

где:
Pa = номинальная полная мощность (кВА) трансформатора;
U = междуфазное напряжение холостого хода (237 В или 410 В);
In в амперах.
Номинальный полный ток нагрузки In на стороне низкого напряжения 3-фазного трансформатора рассчитывается по следующей формуле:
Для 1-фазного трансформатора:

где:
■ V = фазное напряжение холостого хода (В).
Упрощенная формула для 400 В (3-фазная нагрузка): In = kVA x 1.4.
Стандарт для силовых трансформаторов - МЭК 60076.
4.7 Выбор источников питания
Важность поддержания бесперебойного электропитания ставит вопрос об использовании резервной силовой установки. Выбор характеристик таких альтернативных источников питания является частью выбора архитектуры, как описывается в главе D.
Для основного источника питания выбор делается, как правило, между подсоединением к сети электроснабжения высокого или низкого напряжения.
На практике подсоединение к источнику высокого напряжения может быть необходимо, когда нагрузки превышают (или запланировано их превышение) определенный уровень - как правило, порядка 250 кВА, или если требуется качество электроснабжения выше обеспечиваемого низковольтной сетью.
Более того, если установка может вызывать нарушение питания соседних потребителей при подсоединении к низковольтной сети, органы, регулирующие электроснабжение, могут предложить использование сети высокого напряжения.
Питание потребителя по сети высокого напряжения имеет определенные преимущества. Фактически, потребитель:
не зависит от других потребителей, тогда как в случае низковольтного питания другие потребители могут нарушать его работу;
может выбрать любой тип системы заземления низкого напряжения;
имеет более широкий выбор тарифов;
имеет возможность значительно повышать нагрузку. Однако, следует отметить, что:
Потребитель является собственником подстанции высокого/низкого напряжения и в некоторых странах он должен строить и оснащать такую подстанцию за свой счет. При определенных обстоятельствах энергоснабжающая организация может участвовать в инвестициях, например, на уровне линии высокого напряжения.
Часть затрат на подсоединение может возмещаться, если второй потребитель подсоединяется к линии высокого напряжения в течение определенного времени после подсоединения первого потребителя.
Потребитель имеет доступ только к низковольтной части установки. Доступ к части высокого напряжения резервируется для персонала энергоснабжающей организации (снятие показаний счетчиков, работы по обслуживанию и т.д.).
Однако, в некоторых странах защитный выключатель высокого напряжения (или выключатель нагрузки с предохранителем) может использоваться непосредственно потребителем.
A - Общие правила проектирования электроустановок
Тип и местоположение подстанции согласовываются между потребителем и энергоснабжающей организацией.