Файл 3

Тема 3: Умови виробничої експлуатації енергообладнання

Умови навколишнього середовища.

Однією з основних особливостей електрообладнання сільськогосподарських підприємств є широка номенклатура виробів, тих що використовують при відносно невеликій потужності апаратів і малої повторюваності однотипних агрегатів. За обсягом встановленого електрообладнання агропромисловий комплекс займає перше місце в порівнянні з іншими галузями народного господарства. У сільському господарстві використовується більше 300 найменувань електротехнічних виробів. До складу електроустаткування входять: електричні машини, електронагрівальні установки, електроосвітлювальні і опромінення тільні прилади, пускозахисна апаратура, а також електроустановки, що забезпечують і, такі електричною енергією сільськогосподарських підприємстві.

Серед електричних машин важливе місце займають асинхронні короткозамкнені електродвигуни. В сільському господарстві крім електродвигунів нових серій 4А і АІ використуються електродвигуни старих модифікацій А і А2 (до 50 % від загального числа). Крім цього, знаходять використання електродвигуна з фазним ротором досить великий потужностей до 100 кВт і вище. Вони використовуються в основному в умовах землеробства. Крім цього, застосовуються синхронні генератори на резервних електростанціях, зварювальні генератори й машини постійного струму.

Електронагрівальні установки в сільському господарстві застосовуються для підігріву води, ґрунту, будівельних конструкцій, машин і механізмів. Електрокалорифери і установки для підігріву води зазвичай мають пристрої автоматики. Номенклатура використовуваного в цій галузі електрообладнання досить широка, споживана потужність установок доходить до 100 кВт, обладнання розробляється з урахуванням роботи в умовах підвищеної вологості.

Для внутрішнього і зовнішнього освітлення в сільському господарстві використовуються лампи розжарювання, люмінесцентні лампи серії ЛБР і ртутні дугові лампи високого тиску ДРЛ різноманітного виконання. Для ультрафіолетового опромінення тварин та птиці застосовуються ерітемні опромінювачі, в тепличному господарстві в основному використовуються лампи ДРЛ.

Електрообладнання в сільському господарстві може працювати в автоматичному і неавтоматичному режимах. Дистанційне управління електроприймачами здійснюється магнітними пускачами типу ПМЕ, ПАЕ, ПМА, ПМЛ, для нечастих включень використовуються автоматичні вимикачі.

Захист від коротких замикань в електроустановках зазвичай здійснюється плавкими запобіжниками і розчіплювачами автоматичних вимикачів, захист від перевантажень - за допомогою теплових реле ТРН, ТРП, РТЛ, РТТ. Останній вид захисту відрізняється великим розкидом характеристик, відносної складністю в налаштуванні, і часто в умовах сільського господарства захист не працює. Більш досконалими видами захистів електродвигунів (УВТЗ, ФУЗ) оснащені не більше 5 ... 7% використовуваних в сільському господарстві машин.

Проведені в нашій країні роботи з удосконалення захисту електрообладнання від аварійних режимів в основному спрямоване на створення пристроїв на новій елементній базі -тиристорах, герконах та ін.

Електропостачання сільських споживачів, як правило, здійснюється від державних енергосистем. До сільських споживачів електроенергію подають напругою 6, 10, 35, а в окремих випадках і 110 при цьому переважно викокористуються повітряні лінії електропередачі зі сталеалюмініюєвими проводами на дерев’яних або залізобетонних опорах.

Значна частина струмоприймачів споживає не тільки активну але і реактивну потужність. Для компенсації реактивної потужності використовуються конденсаторні установки, розташовані безпосередньо у споживача, або на стороні 6 (10) кВ трасформаторної підстанції.

Сільські мережі, до яких приєднані електроприймачі, характеризується великою розгалуженістю і протяжністю, малим перетином проводів і невеликою потужністю трансформаторних підстанцій, відсутністю автоматичного регулювання нанапруги, наявністю однофазних електроприймачів, широким використанням у якості захисних апаратів запобіжників. Це ускладнює забезпечення нормованих значень показників якості електроенергії у електроприймачів.

В цілому багатономенклатурного електрообладнання, що використовується в сільському господарстві, створює певні труднощі при організації його експлуатації, особливо при плануванні робіт з технічного обслуговування і ремонту, створенню резервного фонду, визначення кількісного складу електротехнічених служб та в інших випадках.

Особливості зовнішнього середовища. У сільському господарстві електрообладнання експлуатується в умовах підвищеної вологості й агресивності середовища, наявності пилу і абразивних частинок, нерівномірного завантаження агрегатів і перевантажень, низької якості електроенергії, сезонності роботи протягом року.

Фактори зовнішнього середовища поділяються на кліматичні, біологічні і механічні.

Згідно ПУЕ, за умов зовнішнього середовища приміщення діляться на декілька категорій: сухі, вологі, сирі, особливо сирі, пилові, жаркі, приміщення з хімічно активної чи органічним середовищем. Для сільськогосподарських підприємств характерно наявність всього спектру приміщень згідно з наведеною класифікації. При цьому майже 50% електрообладнання в сільському господарстві розміщується у вологих, сирих і дуже сирих приміщеннях.

В умовах підвищеної вологості опір і електрична міцність ізоляції електрообладнання значно зменшується, а постійна часу нагріву обмоток збільшується. Це в свою чергу призводить до зниження інтенсивності видалення вологи з обмоток і пробою ізоляції.

При роботі електрообладнання на зернотоку, в пташниках, кормоцехах тваринницьких ферм на корпусах агрегатів осідає пил, що знижує тепловіддачу. Попадання абразивних частинок всередину обладнання призводить до підвищеного зносу електричних машин і пускозахисних пристроїв. До цього необхідно добавить також підвищену корозію металевих частин в умовах сирих приміщень.

На тваринницьких фермах і зерноскладах створюються благоприємні умови для гризунів, які руйнують ізоляцію.

Отже, умови зовнішнього середовища стосовно сільськогосподарського обладнання слід розглядати як важкі, що обумовлює передчасний вихід його з ладу. Крім поганих кліматичних умов на термін служби електрообладнання та інші його характеристики істотний вплив роблять зміни навантаження і низька якість електроенергії.

Умови енергопостачання.

Навантаження сільськогосподарських споживачів

Технологічний процес сільськогосподарського виробництва характеризується низкою особливостей, пов'язаних з підвищеними навантаженнями в ранкові та вечірні години, різким зниженням їх у Денний час і майже повною відсутністю вночі. Наприклад, на тваринницьких фермах в ранкові та вечірні години виконується великий комплекс робіт, який визначається доїнням, годування тварин, прибиранням гною.

Нерівномірність графіків електричних навантажень, не однакова потужність по фазах призводять до значних втрат електроенергіі в мережах і неможливості забезпечити високі показники якості електроенергії у електроприймачів. Перевантаження окремих механізмів можуть викликати заклинювання електродвигуном і вихід їх з ладу. У силу цього в процесі експлуатації виникає комплекс завдань щодо забезпечення ефективної роботи ліній електропередачі і трансформаторів, комутаційної і захисної апаратури, засобів компенсації реактивної потужності. У ряді випадків необхідно також раціоналізувати режим роботи окремих електроприймачів, а також правильно скласти електробаланс сільськогосподарського підприємства в цілому.

Рішення поставлених питань неможливо без знання електричних навантажень. Порядок побудови графіків навантажень і визначення основних режимних показників залежить від можливості проведення необхідних замірів в процесі експлуатації, а також від прийнятого детермінованого або стохастичного підходу при виконанні розрахунків.

Досить просто завдання вирішується за наявності результатів вимірів потужності електроприймачів і детермінованому підході. Порядок визначення показників, що характеризують режим електроспоживання, в цьому випадку наступний.

1. Визначається сумарна встановлена потужність електрообладнання об'єкта (Ру).

2. За даними виконаних в процесі експлуатації вимірювань будується добовий графік навантаження сільськогосподарського об'єкта. Загальноприйнятою є ступінчаста форма побудови графіка.

3. За графіком визначаються середня і максимальна потужності за добу (Рс, Рmax).

4. Розраховуються коефіцієнти, що характеризують графік навантаження:

- коефіцієнт використання встановленої потужності (k_и)

Kи=Рс/Ру,

- коефіцієнт заповнення графіка (k₃)

k₃=Pc/Pmax,

коефіцієнт попиту (kc)

kc=Pmax/Ру.

Отримані величини режимних показників порівнюються з нормативними, наявними в технічній літературі. Як приклад в табл. 1.1 наводяться нормативні коефіцієнти для двох об'єктів сільськогосподарського призначення.

Таблиця 1.1

Нормативні значення показників добових графіків напруги

Значно складніше визначити середню і максимальну потужності електрообладнання об'єкта при обліку стохастичного характеру зміни навантаження. Найбільш загальним є представлення навантаження випадковою функцією. Випадкова функція Р = Sр (t), що визначає зміна потужності сільськогосподарського об'єкта, задається невипадковими функціями: математичним очікуванням m_р (t) і кореляційною функцією kр (Ткр), де Т_kр = t_k. Випадковий процес зміни навантаження характеризується кореляційним зв'язком, зменшується зі зростанням інтервалу часу Т_КР і мало залежить від моменту часу t. Починаючи з деякого інтервалу часу nТ_кр, значення випадкової функції можна вважати некорелірованим. Окремим випадком кореляціонної функції при Т_кр = 0, тобто t_k= t, буде дисперсія випадкової функції Dр(t) .

Режим найбільшою тривалості, що визначає основні затрати енергії сільськогосподарського підприємства, можна розглянути без урахування кореляційних залежностей зміни потужності, тобто навантаження можна характеризувати випадкової величиною Sр, яка визначається математичним очікуванням m_Р і дисперсією Dр. Частим випадком характеристики навантаження являється рівність нулю дисперсії. Тоді випадкова величина Sр перетворюється в невипадкову Р, чисельно рівну математичного сподівання, тобто Sр = m_Р = Р, Dр = 0.

Електрообладнання об'єкта сільськогосподарського призначення можна розбити на групи електроприймачів, що працюють безперервно, періодично і епізодично. У свою чергу, в кожній з цих груп можна виділити електроприймачі, що працюють з практично постійною потужністю і що працюють за складним графіком. Можливі варіанти графіків зміни потужності електроприймачів представлені на рис. 1.2, 1.3, 1.4, 1.5.

Рис. 1 Графік потужності електроприймача, що працює на постійному навантаженні  безперервно (крива 1) и періодично (крива 2): Т₁ - час роботи, Т₀₁ - час паузи Тс - час цикла

Рис. 2 графік потужності електроприймача, що працює з постійною напругою: Т21 - час роботи, Т11, Т12 - час паузи, Тz - загальний час роботи в даному режимі

Рис. 3. Графік потужності електроприймача, працюючого безпереривно протягом режиму зі змінним навантаженням: Тij - час роботи з постійною напругою Р1, Тz - загальний час в даному режимі

Рис. 4 Графік потужності електроприймача, працюючого періодично з фіксованою напругою і змінним інтервалом між включеннями: Т_і - час роботи з постійною напругою Р₁ в циклі, Т₀₁ Т₀₂ - інтервали між циклами роботи, Те - час циклу

Групові графіки навантаження утворюються випадковим суміщенням індивідуальних графіків.

Опис графіків роботи електроприймачів зручно давати дискретними функціями розподілу. Дискретну інтегральну функцію розподілу можна описати послідовністю значень потужності Р1 <Р2 <.. <Рі, які дорівнюють або перевищуються випадковою величиною потужності з імовірностями р₁> р₂>> .. .> р_і тобто

…………………………………………………………………………………………………………..

У цьому випадку ймовірність включення електроприймача, що працює періодично з постійною потужністю (рис. 1, крива) дорівнює:

Окремим випадком є постійна величина потужності, для неї р₁ = 1. Ймовірність включення електроприймача, що працює епізодично з постійною потужністю Р₂ (рис. 2), визначається виразом:

де Т₁ - інтервал роботи електроприймача.

Дискретні значення ймовірностей р₁ електроприймачів, що працюють з періодичною напругою, можна отримати за формулами:

Де Tij - інтервали роботи з допомогою Р_і=1, ті що повторюються j=1,2…раз, Тс - середній час циклу.

В якості приклада запишемо характеристики електроприймача, що працює за графіком. Використовуючи формули безперервного режима роботи електроприймача, можно запписпти

Визначення випадкової величини споживаної потужності об'єкта в цілому зручно виконувати методом статистичного моделювання. При ряді припущень можна використовувати аналітичний спосіб. Ці припущення наступні: а) незалежність випадкових величин зміни потужності електроприймачів один від одного і б) нормальний закон розподілу величини сумарної потужності. Незалежність величин потужності електроприймачів витікає з характеру роботи сільськогосподарських споживачів, а нормальний закон підтверджений низкою експериментальних досліджень, опублікованих в літературі.

Отримавши для кожного електроприймача або їх групи дискретну функцію розподілу випадкової величини потужності, можна обчислити значення характеристик розподілу - математичного очікування і дисперсії для k-го електроприймача.

Де Рі - величина потужності

З урахуванням нормального закона розподілу випадкових величин зміни потужності легко порахувати характеристики загальної напруги

Математичне сподівання дає значення середнього навантаження об'єкта. Знаючи дисперсію і використовуючи правило «трьох сигм», можна визначити величину максимальної потужності Р_max=m_р+З, а потім і необхідні режимні показники.

Важливо відзначити ще одна обставина, що характеризує режим роботи електрообладнання в умовах сільського господарства, - це наявність значних пауз в роботі, причому пауз достатньо тривалих. Особливо це стосується тваринництва. В умовах негативної дії агресивного середовища виникає необхідність у проведенні спеціальних заходів щодо зберігання обладнання і, зокрема, по його консервації.

Умови обслуговування.

Вплив якості електроенергії на експлуатаційні властивості електрообладнання

Одним з факторів, що серйозний вплив на ефективність роботи електрообладнання та призводять до погіршення експлуатаційно-технічних характеристик, до передчасного виходу його з ладу, є низька якість електроенергії на затискачах електроприймачів.

Причини появи неприпустимих значень показників якості електроенергії в умовах сільської електрифікації пов'язані з дефіцитом реактивної потужності у вузлах навантаження, неправильним проектуванням трансформаторних підстанцій, перевантаження мереж низької напруги, надмірно великими втратами напруги в розподільних мережах, відсутністю та неправильною експлуатацією регулюючих пристроїв.

Вимоги до якості електроенергії регламентуються ГОСТ 13109 - 87. Основними показниками якості електроенергії є: відхилення напруги U, розмах коливань напруги U_t, доза коливань напруги , коефіцієнт несинусоідальності кривої напруги k_u(н), коефіцієнт зворотної послідовності k_2u коефіцієнт нульової послідовності k_ou, відхилення частоти ∆f , тривалість провалу напруги ∆t, величина імпульсної напруги.

ГОСТ 13109-87 встановлює нормальний і максимальний межі зміни за окремими показниками. Так, відхилення напруги повинні складати ± 5 і ± 10% відповідно, відхилення частоти ± 0,02 і ± 0,04%, коефіцієнт несінусоідальности 5 і 10%.

Найбільш часто порушуємо і надають найбільший вплив на роботу електроприймачів є відхилення напруги.

Відхилення частоти при електропостачанні від державних енергосистем, як правило, не перевищують встановлених нормативів, вихід їх за допустимі межі можливий при вико ¬ користуванні резервних електростанцій.

Перспективи розвитку сільської електрифікації проглядаються шляхом значного розширення обсягу застосовуваних електротехнічних пристроїв, їх ускладнення і вдосконалення т. Впровадження складної побутової техніки, пристроїв автоматизації технологічних процесів па інтегральних мікросхемах н мікропроцесорах різко підвищує вимоги до якості електроенергіі і, зокрема, в імпульсних режимах.

Розглянемо вплив показників якості електроенергії на роботу окремих електроприймачів.

Відхилення напруги впливають на роботу електричних двигунів, освітлювальних приладів, електронагрівальних елементів.

При збільшенні напруги змінюються втрати в електричних машинах. Загальна активність, що вживається короткозамкненим електродвигуном з мережі, визначається за формулою

Р=k_нР_ном+∆Р(1+k_р)

Де k_н - коефіцієнт навантаження; ∆Р - втрати потужності в електродвигуні при номінальному навантаженні; k_р - коефіцієнт пропорційності.

Встановлено, що при U = +10% Uном, зміни потужності складають 3%. Більш різко зі зростанням напруги збільшується реактивна потужність. Зміна напруги на 1% призводить до зростання реактивної потужності на 3%.

При зниженні напруги збільшується струм і починає нагріватися. Спостерігається передчасний вихід з ладу його ізоляції. Наближена залежність терміну служби асинхронного електродвигуна від зміни напруги описується формулою

Де Т_сд.ном - строк служби електродвигуна при номінальних значеннях напруги і навантаження.

Зменшення напруги призводить до зміни обертального моменту асинхронного електродвигуна. Видома квадратична залежність величини напруги від обертального момента. При значних провалах напруги створюється «опрокидывание» електродвигуна у вихід його з ладу.

Дуже чутливі до відхилень напруги освітлювальні установки. Нижче наведені залежності основних характерних характеристик ламп розжарювання (потужності, струму, світлового потоку, віддачі, строку служби) у функції зміни напруги (U*=U/U_НОМ).

Як випливає з формул, надмірне підвищення напруги катастрофічно небезпечне для ламп розжарювання з причини їх масового перегорання. Менш чутливі до відхилень напруги люмінесцентні лампи. Їх термін служби змінюється на 4% при відхиленні напруги на 1%.

Робота електронагрівальних установок (водонагрівачі, калорифери, пастеризатори, кормозапарника та ін.) також залежить від відхилень напруги. Досить сказати, що їх активна потужність пропорційна квадрату прикладеної напруги. При виході напруги за межі допусків різко скорочується термін служби електронагрівальних елементів (при збільшенні напруги) або зростає час на виконання технологічних процесів (при зниженні напруги).

Значні відхилення напруги в побутових мережах приводят до масового використання стабілізаторів напруги, при цьому витрачається дефіцитна сталь, різко зростає споживання неактивній потужності.

Для зниження негативного впливу відхилень напруги роботу сільськогосподарських споживачів потрібно правильне проектування електричних мереж, оснащення трансформаторних підстанцій регулюючими пристроями, належна трійка їх.

Коливання напруги є швидкі зміни, що виникають при ударних відхиленнях навантаження, коротких замиканнях в мережі, включенні потужних асинхронних електродвигунів. Коливання напруги призводять до мерехтіння освітлювальних ламп, впливають на чіткість сприйняття предметів, знижують продуктивність праці, погіршують самопочуття працюючих. Крім коливань напруги останнім часом значна увага приділяється імпульсним перенавантаженням, що виникають на зажимах електроприймачів при аварійних ситуаціях в мережі (коротко замикання, грозові впливу і т. д.). Величина напруги в цих випадках може досягати 1000. .. 1500 В при тривалості 0,1 ... 10 мкс. Чутливі до таких перенавантажень апарат на сучасній напівпровідникової елементної бази. До 50% всіх виходів з ладу побутової радіоелектронної апаратури обумовлено подачею неякісного напруги. При використання ЕОМ та інших пристроїв дискретної техніки можуть бути збої інформації.

Як засоби зменшення коливань напруги можна рекомендувати роздільне харчування ударного навантаження, використання поздовжньої ємнісної компенсації, застосування синхронних машин з швидкодіючою системою регулювання напруги.

Для мереж сільськогосподарського призначення характерна нерівномірність розподілу навантаження по фазах і, як наслідок, несиметрія напруг, супроводжується протіканням струму в нульовому проводі. Несиметрія напруг призводить до додаткового нагрівання обмоток і скорочення терміну служби електродвигунів. При величині несиметрії в 4% і роботі з номінальними моментом, що обертає термін служби асинхронного двигуна скорочується вдвічі. Крім цього спостерігаються помилкові спрацювання або неправильна робота пристроїв захисту і автоматики.

Несинусоїдальність кривої напруги обумовлена наявністю серед електроприймачів нелінійних елементів: зварювальних трансформаторів, випрямних пристроїв, дугових печей та ін. У результаті з'являються вищі гармонійні складові, що небажано, тому що виникають додаткові втрати енергії в елементах мереж, перевантажуються силові конденсаторні установки. При наявності гармонік спостерігається загострена форма кривої напруги, що приводить до прискореного старіння ізоляції електричних машин і трансформаторів. Вищі гармоніки викликають труднощі в експлуатації релейного захисту та автоматики, в роботі перетворювачів на тиристорах.

Як заходи боротьби з несинусоїдальність кривої напруги рекомендується використання фільтрів, а також живлення пристроїв, що створюють гармоніки, від окремих трансформаторів.

Підводячи підсумок, можна констатувати, що негативний вплив ненормованих значень показників якості електроенергії на роботу електрообладнання очевидно. Особливо важливо підтримувати у електроприймачів необхідні значення відхилення напруги.

Серед початкових рішень поставлених задач можна виділити:

- установку ПВБ трансформаторів споживчіх трансформаторних підстанцій

- забезпечення зустрічного регулювання;

- систематичний контроль напруги в розподільчих мережах.

Література

1. Єрмолаєв С. О. Експлуатація енергообладнання та засобів автоматизації в системі АПК : підручник / Єрмолаєв С. О., Мунтян В. О., Яковлев В. Ф. - К. : Мета, 2003. - 543 с.

2. Лут М. Т. Основи технічної експлуатації енергетичного обладнання АПК / Лут М. Т., Мірошник О. В., Трунова І. М. - Харків : Факт, 2008. - 438 с.

3. Єрмолаєв Є. О. Експлуатація і ремонт електрообладнання та засобів автоматизації і С. О. Єрмолаєв, В. Ф. Яковлев. - К. : Урожай, 1996 - 336 с.

4. Мірошник О. В. Організація технічної експлуатації енергетичного устаткування підприємств АПК / О. В. Мірошник, І. М. Трунова. - Харків : ПП ЧЕРВЯК, 2005. - 128 с.

5. Лут М. Т. Організація і планування технічного обслуговування та ремонту електрообладнання сільськогосподарських підприємств / Лут М. Т., Хоменко І. В., Хоменко Ю. І. -К. : НАУ, 1995. - 59 с.

6. Правила улаштування електроустановок / 2-ге вид., перероб. і допов. - Харків : Форт, 2009. - 736 с.

7. ПУЭ, 2007. Правила устройства электроустановок. - Харьков : Индустрия, 2007. - 416 с.

8. Правила технічної експлуатації електроустановок споживачів / Наказ № 258 Мінпаливенерго України від 25.07.2006.

9. Правила технічної експлуатації теплових установок і мереж / Наказ № 71 Мінпаливенерго України від 5.03.2007. - [Чинний від 2007-09-05].