ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
Электротехника
Электротехнические комплексы и системы
Божков М.И., кандидат технических наук, доцент
Иванченко Д.И., кандидат технических наук, ассистент Бельский А.А., кандидат технических наук, ассистент Корст А.В., аспирант Стрижова Т.А., кандидат технических наук, доцент
(Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»)
КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ НА ПРИМЕРЕ СИЛОВЫХ ВЫКЛЮЧАТЕЛЕЙ
Оценка класса энергетической эффективности (КЭЭ) электрооборудования является трудной задачей.
При оценке КЭЭ должны учитываться затраты энергии за год эксплуатации оборудования и энергия, затраченная на изготовление этого оборудования (энергоемкость изделия). В статье предложен метод и приведен пример оценки энергоэффективности силовых выключателей.
Ключевые слова: класс энергетической эффективности, энергозатраты, энергоемкость изделия, выключатель.
ENERGY EFFICIENCY INTEGRAL EVALUATION OF ELECTRICAL EQUIPMENT USING POWER CIRCUIT BREAKER AS EXAMPLE
Evaluation of energy efficiency class for electrical equipment is a complicated task.
Energy efficiency class rating requires calculation of yearly energy consumption and manufacturing energy-output ratio of the equipment. This paper describes a method and an example of energy efficiency rating of circuit breakers.
Keywords: energy efficiency class, power consumption, power consumption of the product, circuit breaker.
В системах электроснабжения применяются различные виды электрических аппаратов и устройств, которые потребляют электроэнергию (ЭЭ), относимую к собственным нуждам электрических станций. Из-за их большого количества составляющая собственных нужд в технологических потерях электросетевых предприятий достигает 2% и более [1]. Для таких устройств, практически невозможно установить КЭЭ, но можно их сравнивать и ранжировать по потреблению ЭЭ. Нам представляется, что скоро появятся требования о введении в паспорта на электрические аппараты сведений об энергоэффективности: а) потери электроэнергии при номинальном режиме эксплуатации, кВтч/год; б) составляющая энергозатрат на изготовление аппарата, кВтч.
По некоторым видам оборудования подстанций, уже существуют утвержденные потери ЭЭ, указанные в [2]. Например, в шунтирующих реакторах, соединительных про-
водах и сборных шинах распределительных устройств, синхронных компенсаторах, статических компенсирующих устройствах, вентильных разрядниках, ограничителях перенапряжений, измерительных трансформаторах тока и напряжения, устройствах присоединения ВЧ связи, а так же потери в электрических счетчиках прямого включения. Эти данные используются при расчете норматива технологических потерь электроэнергии, но они бесполезны при выборе оборудования, так как не дифференцированы по подвидам - типам, маркам и пр.
Составляющая энергозатрат на изготовление аппарата может быть рассчитана технологами электроаппаратных заводов. На любой вид изделия составляется калькуляция затрат, в которой указывается расход материалов и затраты всех видов энергии на единицу продукции. При наличии сведений об удельных расходах энергии на производство материалов [3-6], можно оценить энергоемкость изделия в целом при полном цик-
ле производства по формуле:
Wиз = I Wi * ш1 +Wк , (1)
где Wi — энергетическая составляющая себестоимости /-го материала, кВтч/кг или т у.т./кг (в угольном эквиваленте 1 т у.т. = 2900 кВтч); т/ — масса 1-го материала, используемого в изделии, кг; / = 1, 2... и — порядковый номер используемого материала (сталь, цветной металл, пластик, и другие); Жк — расход энергии на изготовление конечной продукции (по заводской калькуляции).
При использовании готовых комплектующих узлов и полуфабрикатов можно применить передельный метод определения энергоемкости изделия, по которому энергоемкость каждого передела состоит из расхода энергии предыдущего передела и расходов по данному переделу [4,5] .Тогда формула для расчета энергоемкости изделия будет иметь вид
Wиз = I Wl * Ш1 +Wк , + I ^ * Ш] , (2)
где — энергетическая составляющая себестоимости у'-го узла (полуфабриката); у = 1. 2 .... т — порядковый номер комплектующего узла.
Комплексную оценку энергоэффективности электрооборудования предлагается проводить по приведенным к году энергозатратам, кВтч/год.
Wо = Wиз * Кн + Wпэ = (I Wl * Ш1 +Wк , + I ^ * Ш])* Кн + Wпэ, (3)
где Кн = 0,12 — коэффициент приведения энергозатрат; Жпэ — потери ЭЭ в электрооборудовании, кВтч/год.
Следует отметить, что Кн = 0,12 определен на основе экспертной оценки и возможно его изменение в зависимости от результатов дальнейших исследований.
Основная проблема в определении энергоемкости оборудования и комплектующих материалов заключается в получении достоверной информации об удельных расходах энергоресурсов на производство различных видов продукции. В ГОСТ Р 51750-2001[5] изложена подробная методика, однако на практике ее трудно применять, это связано с большой неопределенностью исходной информации. В отечественной статистике для учета показателей в энергобалансе принята номенклатура - 96 наименований [6]. Даже Росстат признает, что получить данные о количестве топлива, используемого в качестве сырья при производстве других видов топлива, непосредственно из отечественной статистики затруднительно [5].
На данный момент наиболее представительные данные об энергоемкости продукции, опубликованные в открытой печати, имеются по металлургии [3-5,7-9], включая пример
определения технологической энергоемкости выплавки чугуна [5]. Однако, при определении энергоемкости материалов для комплектации конкретного электрического аппарата, мы должны учитывать, что существует широкий диапазон значений исходных величин. По данным [8,9] удельные расходы энергоресурсов на выплавку одной тонны стали могут различаться в несколько раз и зависят от марки стали, способа и объема плавки, вида и мощности предприятия, качества шихты, фирмы-изготовителя и массы других факторов. В [11] указывается, что удельные расходы энергоресурсов на производство проката на мини-заводах в 2,5 раза ниже, чем на крупных металлургических комбинатах. При такой неопределенности исходной информации, расчет энергоемкости материалов для оценки энергетической эффективности электрических аппаратов целесообразно проводить по среднестатистическим (среднеотраслевым) данным.
Рассмотрим пример оценки энергетической эффективности вакуумных и элегазовых выключателей 10 кВ по сравнению с базовым - масляным выключателем ВМП-10. Для сравнения, мы выбрали подстанционные десятикиловольтные выключатели с номинальным рабочим роком 1000 А и номинальным током отключения 20 кА (см. табл.1).
Таблица 1
Комплектующие материалы подстанционных выключателей 10 кВ
Комплектующие материалы Масса материала, кг по типам выключателей
Масляный ВМП Вакуумный ВВ/TEL Элегазовый LF 2
Стальной прокат, литье 100 23,8 70,4
Медь электротехническая 20 13,2 20
Фарфор 8,5 - -
Масло трансформаторное 4,5 - -
Элегаз - - 0,11
Полименые, композитные, и другие изоляционные материалы 12 11 37,6
На рис.1 приведена диаграмма энергоемкости масляного выключателя 10 кВ. Данные по комплектующим материалам принимались по [12-14] и заводским инструкциям.
Как видно из табл.1, от 50 до 70 процентов в общей массе выключателя содержатся материалы из стального проката и литья. Именно эти материалы характеризуются наибольшей энергоемкостью и определяют энергоемкость изделия в целом. На изготовление выключателя ВМП-10 требуется 100 кг стальных изделий.
Рис.1. Материалы, определяющие энергоемкость выключателя ВМП-10 На рис.2 представлена диаграмма энергозатрат на 100 кг стального проката по всем переделам от добычи руды до готового стального проката. На диаграмме все использу-
емые энергоресурсы, для удобства, приведены к угольному эквиваленту в килограммах условного топлива (кг у. т.).
Путем подстановки данных диаграммы (рис. 2) в формулу:
Wст = I Wп , (3)
где — затраты энергии по переделам, получим основную составляющую энергоемкости выключателя ВМП-10 - 202 кг у .т., что эквивалентно 586 кВтч электрической энергии. Энергоемкость остальных комплектующих материалов составляет около 30% от энергоемкости стального проката и литья. Тогда энергозатраты на производство одного выключателя ВНП-10 составят Жвнп = 202*1,3 + 290 = 552 кг у .т., или 1602 кВтч.
Аналогично были определены энергозатраты на элегазовый и вакуумный выключатели, результаты сведены в табл. 2. Расход электроэнергии на собственные нужды (потребление электроприводов, катушек отключения, расход энергии на техобслуживание) относительно мал, и им можно пренебречь.
Определим эксплуатационные потери электроэнергии в выключателе:
Wпэ в Я х , кВтч/год , (4)
где I — номинальный ток выключателя, А; Я — сопротивление главной токоведу-щей цепи полюса, Ом; т — число часов максимальных потерь (на уровне напряжения 10 кВ (т = 2000 ч/год).
Рис.2 Диаграмма энергозатрат на 100 кг стального проката Результаты расчета Жпэ в по (4) и Жо по (3) приведены в табл.2.
Таблица 2
Энергетические характеристики выключателей 10 кВ
Потери Масляный ВМП Элегазовый SL2 Вакуумный ВВ/TEL
Номинальный ток, А 1000 1000 1000
Сопротивление главной цепи, мкОм 72 41 40
Потери мощности, кВт 0,216 0,124 0,12
Потери ЭЭ, кВтч/год 432 248 240
Энергоемкость изделия, кВтч 1602 1400 530
Приведенные энергозатраты, кВтч/год 624 408 312
Приняв масляный выключатель за базовый, можно определить индекс энергетической эффективности как отношение приведенных энергозатрат рассматриваемых выключателей к энергозатратам базового выключателя. Индекс энергетической эффективности вакуумного выключателя равен 0,5, что соответствует КЭЭ - А, а элегазового -0,65, что соответствует КЭЭ - В.
Выводы
6. Целесообразно указывать в паспорте на электрический аппарат:
а) потери электроэнергии при номинальном режиме эксплуатации, кВтч/год;
б) составляющую энергозатрат на изготовление аппарата, кВтч.
7. Необходимо упростить методику определения энергоемкости при производстве продукции и оказании услуг в технологических энергетиче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.