Потребитель регулятор нагрузки

МЕТОДЫ РЕГУЛИРОВАНИЯ ГРАФИКОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

Значительная суточная и недельная неравномерность электропотребления оказывает отрицательное воздействие на показатели работы ЭЭС: снижение числа часов использования установленной мощности, что отрицательно сказывается на конечных результатах деятельности; увеличение удельных расходов топлива за счет неравномерного режима работы оборудования; ус­корение износа оборудования; сниже­ние эффективности теплофикации за счет прямого редуцирования острого пара; ухудшение качества электрической и тепловой энергии отпускаемой потребителям и т. п.

Для повышения экономической эффективности энергетического хозяйства производят преднамеренное изменение конфигурации графиков электрических нагрузок ЭЭС. Это изменение (снижение максимума и повышение минимума нагрузки) принято называй регулированием (выравниванием) графиков нагрузки.

Регулирование графиков электрических нагрузок позволяет ликвидировать ряд недостатков, изложенных выше, а также снизить рабочую мощность ЭЭС и, следовательно, капитальные вложения в развитие энергетических мощностей. Методы регулирования могут быть централизованные и местные. Они могут осуществляться в разрезе суток, недели, года (сезонное регулирование).

Ниже изложены основные централизованные методы регулирования.

Первый метод направлен на уменьшение суммарного вечернего максимума нагрузки за счет сдвига максимумов технологической и осветительной нагрузок. Примером этого метода может служить перевод часовой стрелки на один час вперед по сравнению с астрономическим вре­менем. Вторым примером может слу­жить создание ЕЭС, что позволило более свободно манев­рировать энергией за счет разницы во времени. ЕЭС охва­тывает шесть часовых поясов. При наступлении максимума нагруз­ки в европейской части России в нее может перебрасываться избы­ток энергии из восточных районов.

Второй метод связан с переносом начала и конца работы от­дельных групп промышленных предприятий. Это позволяет запол­нять провалы графика и снижать совмещенный максимум на­грузки.

Третий метод заключается во внедрении гидроаккумулирующих электростанций. Эти электростанции выполняют две функции: в качестве потребителей участвуют в регулировании графиков; в качестве генерирующих источников покрывают пики на­грузки.

Четвертый метод — регулирование графиков нагрузки с по­мощью потребителей-регуляторов. Сущность этого метода со­стоит в привлечении таких потребителей, которые могут снижать свою нагрузку или работать с перерывами, когда это необходимо по балансу мощности или энергии ЭЭС. В связи с этим потребите­ли-регуляторы должны обладать рядом особенностей, отличаю­щих их от обычных потребителей. К ним следует отнести: сравни­тельно незначительные капитальные затраты; максимальную авто­матизацию технологических процессов с целью снижения численно­сти персонала до минимума; быстрое изменение режима работы; высокую электроемкость. Использование потребителей-регуляторов позволяет переносить часть резерва ЭЭС из генерирующей части в потребляющую.

К другим централизованным методам регулирования следует отнести: изменение общеустановленных выходных дней для неко­торых групп потребителей; привлечение дополнительного контин­гента потребителей на часы суток, в которых имеется избыток не­используемой мощности.

К местным методам регулирования относят регулирование на­грузки промышленных предприятий: снижение осветительного пика нагрузки за счет сокращения промышленной нагрузки (перевод с вечерней на ночную смену автоматизированных линий в производ­ственных процессах); введение междусменного интервала в пери­од суточного максимума нагрузки ЭЭС; регулирование мощности предприятий; выполнение ремонтов оборудования в зимний период и т. д.

При осуществлении местных методов регулирования необходи­мо проведение каждого мероприятия согласовывать с ЭЭС. В про­тивном случае осуществление указанных мероприятий может по­влечь за собой не улучшение, а ухудшение существующих графи­ков нагрузки ЭЭС.

Регулирование частоты и мощности в энергосистемах

В настоящее время все производство, практически все распределение и большая часть потребления электроэнергии в энергосистемах выполняются на переменном токе. Поэтому параметры переменного тока — частота, величина и форма кривой напряжения — приобрели значение унифицированных параметров, в соответствии с которыми конструируются все источники, средства передачи и приемники электрической энергии. В особенности это относится к частоте. Практически сохранилось лишь два стандартных значения частоты — 50 Гц в странах Европы, в том числе в России, и 60 Гц в США и Канаде.

В процессе работы энергосистемы все параметры переменного тока могут изменяться. Чем ближе они поддерживаются к номинальным, т.е. расчетным для оборудования, значениям, тем ближе режим к оптимальному. Таким образом, частота приобретает значение показателя, характеризующего качество продукции энергетической промышленности, качества электроэнергии.

Частота является не только показателем качества электроэнергии, но и важнейшим параметром режима энергосистемы. Непрерывность производства электроэнергии, отсутствие возможности запасать энергию и непрерывное изменение потребления требуют столь же непрерывного контроля за соответствием производства и потребления. Параметром, характеризующим это соответствие, и является частота.

Частота в энергосистеме определяется общим балансом генерируемой и потребляемой активной мощности. Если баланс соблюдается, то частота неизменна. При нарушении баланса мощности, т.е. при появлении небаланса мощности, возникает переходный процесс изменения частоты. По скорости и направлению изменения частоты можно судить о величине и знаке возникшего в энергосистеме небаланса активной мощности. Если частота в энергосистеме уменьшается, то для восстановления нормальной частоты надо увеличить активную мощность, вырабатываемую на электростанциях.

Задача регулирования частоты подразделяется на три взаимосвязанные части:

· первичное регулирование частоты, обеспечивающее стабильность частоты, т.е. удержание отклонений частоты в допустимых рамках при нарушении общего баланса мощности в любой части энергосистемы;

· вторичное регулирование, обеспечивающее восстановление нормального уровня частоты и плановых режимов обмена мощностью между частями энергосистемы или регионами;

· третичное регулирование, под которым можно понимать оперативную корректировку балансов мощности регионов с целью оказания взаимопомощи регионам и предотвращения опасных перегрузок транзитных линий электропередачи.

Рассмотрим более подробно первичное регулирование частоты. Оно осуществляется автоматическими регуляторами частоты вращения (АРЧВ) турбин. Каждая турбина снабжена регулятором, который при изменении частоты вращения турбоагрегата, изменяя положение регулирующих органов турбины (регулирующих клапанов у тепловой турбины или направляющего аппарата у гидротурбины), меняет впуск энергоносителя (пара или воды).

При повышении частоты вращения регулятор прикрывает регулирующие органы турбины и уменьшает впуск энергоносителя, а при снижении частоты открывает регулирующие органы и увеличивает впуск энергоносителя. Статические характеристики двух параллельно работающих агрегатов, снабженных АРЧВ, показаны на рис. 3.3.

Из рис. 3.3 видно, что при снижении частоты с f‘ до f« в соответствии со статическими характеристиками регулируемых агрегатов вырабатываемая ими активная мощность увеличивается на ∆P₁ и ∆Р₂ соответственно, что способствует поддержанию уровня частоты в энергосистеме. Приращение мощности ∆Р пропорционально номинальной мощности агрегата и зависит от наклона характеристики. А наклон характеризуется величиной статизма. При более пологой характеристике 2 меньше статизм и больше изменение мощности ∆Р. У агрегата с более крутой характеристикой 1 статизм больше. Таким образом, суммарное приращение мощности распределяется между агрегатами пропорционально номи­нальной мощности и обратно пропорционально статизму регулирования. Если необходимо, чтобы агрегат принимал большее участие в первичном регулировании частоты, надо, чтобы у этого агрегата были большая мощность и меньший статизм.

Существенное влияние на процесс регулирования оказывает зона нечувствительности автоматического регулятора частоты вращения, которая необходима для отстройки от малых случайных колебаний нагрузки в энергосистеме. При наличии зоны нечувствительности регулятора появляется диапазон неопределенности в распределении нагрузки между агрегатами. На рис. 3.4 две параллельные линии, отстоящие друг от друга по вертикали на величину зоны нечувствительности ∆f_неч, ограничивают область возможных состояний регулятора и агрегата. Состояние характеризуется частотой f и нагрузкой Р (так называемая рабочая точка). В установившемся режиме при данной частоте, например f₁, рабочие точки всех агрегатов расположены на линии f = f₁, но могут занимать случайные положения между указанными выше граничными линиями (между точками а и б на рис. 3.4).

Диапазон неопределенных значений нагрузок при параллельной работе агрегатов с регуляторами, имеющими зону нечувствительности, прямо пропорционален зоне нечувствительности регулятора ∆f_неч и обратно пропорционален статизму характеристики регулирования. Чтобы повысить качество регулирования частоты, необходимо по возможности добиваться меньшего статизма. Однако при меньшем статизме существенно увеличивается неопределенность нагрузки агрегата. Поэтому на регуляторах, обладающих большей нечувствительностью, приходится устанавливать больший коэффициент статизма. Величина статизма на гидротурбинах обычно поддается оперативному изменению. Зона нечувствительности отечественных регуляторов гидротурбин не превосходит 0,03 Гц. Зона нечувствительности у отечественных паровых турбин составляет по техническим условиям до 0,15 Гц. Величина статизма оперативному изменению не поддается и составляет обычно 0,04—0,05 (4—5 %). Точность распределения нагрузки, обеспечиваемая регуляторами паровых турбин, невелика: 6—7 %. Но идти на дальнейшее увеличение статизма нельзя, так как это угрожает опасным для целости турбины увеличением максимального отклонения частоты вращения при сбросе нагрузки.

Статические характеристики регуляторов отдельных турбин определяют статическую характеристику энергосистемы в целом. На рис. 3.5 показаны характеристика эквивалентного генератора Р_г(f) и зависимость мощности суммарной нагрузки энергосистемы Р_н от частоты.

Мощность, потребляемая различными типами электроприемников, по-разному зависит от частоты. Например, мощность, потребляемая лампами накаливания и другими термическими установками, от частоты практически не зависит. Но мощность, потребляемая двигателями металлообрабатывающих станков, насосами и вентиляторами, сильно зависит от частоты. В целом зависимость от частоты мощности комплексной нагрузки энергосистемы, состоящей из электроприемников всех типов, имеет примерно такой вид, как на рис. 3.5.

То, что мощность, потребляемая нагрузкой, уменьшается при снижении частоты, облегчает задачу первичного регулирования (Р» — Р’ < ∆Р на рис. 3.5). При увеличении мощности нагрузки и переходе с кривой Р’_н на кривую Р»_н частота уменьшается, и под действием автоматических регуляторов частоты вращения турбин генерируемая мощность увеличивается с Р’ до Р». В течение нескольких секунд осуществляется переход из точки 1 в точку 2 (рис. 3.5). При этом восстанавливается баланс мощности, но при пониженной частоте.

Чем круче идет характеристика генерации Р_г(f), тем эффективнее первичное регулирование и меньше отклонение частоты ∆f, т.е. стабильнее частота в энергосистеме. Из рис. 3.5 видно, что в энергосистеме есть резерв генерируемой мощности, поэтому есть возможность увеличивать эту мощность при увеличении мощности нагрузки. Но если не у всех агрегатов есть резерв генерирующей мощности, то крутизна эквивалентной характеристики генерации Р_г(f) уменьшается и отклонение частоты ∆f увеличивается, т.е. эффективность первичного регулирования падает.

Следует отметить, что при любой степени эффективности первичное регулирование частоты хотя и ограничивает отклонения частоты, но не способно восстановить нормальный уровень частоты после появления небаланса мощности.

Задачу восстановления нормального уровня частоты решает вторичное регулирование. В отличие от первичного регулирования вторичное регулирование осуществляется в течение нескольких минут. В результате действия вторичного регулирования и восстановления нормальной частоты ликвидируются изменения режима, вызванные первичным регулированием частоты. Электростанции и потребители возвращаются в исходный режим работы. Компенсацию всего первоначально возникшего небаланса мощности принимают на себя электростанции вторичного регулирования частоты до тех пор, пока не будет нормализован режим в месте его первоначального нарушения.

Электростанции вторичного регулирования частоты должны быть достаточно мощными и поддерживать необходимый диапазон регулирования, обладать хорошими маневренными качествами. Энергоблоки ТЭС рассчитаны на базисный режим работы. Однако в настоящее время они все шире привлекаются к регулированию суточного графика нагрузки, причем диапазон регулирования их ограничен. Предельно допустимая разгрузка блоков зависит от вида сжигаемого топлива и составляет 20—40 % при работе на угле и 40—60 % при работе на газе и мазуте. Разгрузка энергоблоков неизбежно приводит к снижению их экономичности. Уже при нагрузках 50 % номинальной их экономичность ухудшается на 5—6 % при работе на газомазутном топливе и на 7—8 % при работе на угле. Гидроагрегаты имеют существенно больший диапазон регулирования (за исключением периода паводка), меньшую зону нечувствительности АРЧВ. Поэтому обычно именно гидроэлектростанции участвуют во вторичном регулировании частоты.

Вторичное регулирование осуществляется за счет перемещения характеристики АРЧВ агрегата параллельно самой себе при помощи механизма управления турбиной. Соответственно перемещается и характеристи­ка эквивалентного генератора, как показано на рис. 3.6.

В крупных энергосистемах появляется необходимость поддержания соответствия производства и потребления электроэнергии не только в энергосистеме в целом, но и в отдельных ее частях (регионах). Эта необходимость может быть связана с хозяйственной самостоятельностью частей энергосистемы или с недостаточной пропускной способностью линий электропередачи, ограничивающей обмен мощностью между частями энергосистемы. Поддержание соответствия между потреблением и производством внутри регионов требует регулирования не только частоты, но и перетоков мощности.

С ростом энергосистем и их объединением колебания частоты уменьшаются, необходимость же в регулировании перетоков обычно возрастает, так как увеличивается вероятность появления слабых связей, имеющих недостаточную пропускную способность. Поэтому регулирование перетоков мощности становится во многих случаях задачей не менее важной, чем регулирование частоты. Поскольку вручную решать эту задачу весьма сложно, создаются системы автоматического регулирования частоты и мощности.

В объединенных энергосистемах применяются два основных принципа вторичного регулирования частоты и мощности:

· централизованное регулирование частоты в сочетании с региональным регулированием мощности электростанций;

· децентрализованное комплексное регулирование частоты и перетоков мощности.

В основе централизованного принципа лежит регулирование одной энергосистемой частоты, т.е. баланса мощности во всем энергообъединении независимо от места возникновения небаланса мощности, и регулирование своих перетоков мощности другими энергосистемами независимо от частоты. Этот принцип обладает достаточной эффективностью, если у регулирующей энергосистемы имеются достаточный резерв мощности и диапазон регулирования и если межсистемные линии электропередачи не ограничивают своей пропускной способностью возможность компенсации небаланса мощности, возникающего в любой энергосистеме.

Основным недостатком данного принципа являются неравноправные взаимоотношения энергосистем объединения, одна из которых несет затраты на содержание регулировочных мощностей для всех энергосистем.

Принцип децентрализованного вторичного регулирования наиболее распространен в мировой практике регулирования режима в межгосударственных объединениях энергосистем различных стран (UCTE, NORDEL и др.).

Основным преимуществом данного принципа является справедливое и равноправное участие партнеров по параллельной работе в поддержании нормального уровня частоты и согласованных перетоков мощности. При этом обеспечивается устранение в данной энергосистеме небаланса мощности независимо от того, является ли он единственной причиной отклонения частоты или существует одновременно с наличием небалансов в других энергосистемах.

К недостаткам принципа относится необходимость оперативного вмешательства для восстановления частоты при неустранении энергосистемой-«виновницей» своего небаланса. В этом случае осуществляется третичное регулирование режима.

В заключение рассмотрим кратко современное состояние регулирования частоты и мощности в Единой энергетической системе России. Анализируется и исследуется возможность создания энергообъединения «Восток — Запад» на основе использования уже существующих линий электропередачи переменного тока 400—750 кВ между Украиной и странами Центральной Европы. В связи с этим проведены исследования качества регулирования частоты в Западной и Восточной зонах будущего энергообъединения. Исследования показали более низкую стабильность частоты в Восточной зоне (среднесуточные отклонения частоты на Западе 10—20 мГц, а на Востоке — большие значения). Особенно большие отклонения на Востоке происходят весной и во второй половине ночи, что говорит об отсутствии гибкости средств регулирования, особенно энергоблоков ТЭС, о трудностях разгрузки энергоблоков и о недостаточности средств краткосрочного регулирования, что объясняется в основном следующими причинами:

· величина и характеристики вращающегося резерва не являются жестко регламентированными;

· крупные тепловые и тем более атомные электростанции в регулировании частоты практически не участвуют из-за их низкой маневренности и неготовности к этому оборудования и технологической автоматики;

· вследствие неудовлетворительной структуры генерирующих мощностей (недостаточная мощность ГЭС, одна ГАЭС на всю Россию, отсутствие на ТЭС энергоблоков с хорошей маневренностью и т. п.) нет возмож­ности поддерживать баланс мощности при нормальной частоте в отдельные ночные часы и в период паводка из-за недостаточного регулировочного диапазона ТЭС. Энергоблоки мощностью 300 и 800 МВт в первичном и вторичном регулировании частоты недоиспользуются. Одной из причин этого является отсутствие материальной заинтересованности электростанций в активном участии в регулировании частоты в энергосистеме.

В настоящее время прорабатываются мероприятия, которые позволят повысить качество регулирования частоты в ЕЭС России, что важно не только в связи с перспективой создания энергообъединения «Восток — Запад», но и для самой ЕЭС России.

Потребители электроэнергии и режимы их работы.

Что такое потребители электроэнергии? (ПЭЭ)

ПЭЭ – это электрический приемник или группа электрических приемников, объединенных технологическим процессом и размещающихся на определенной территории.

Приемник ЭЭ – это аппарат или механизм, преобразующий электрическую энергию в другой вид энергии.

Классификация ПЭЭ производиться по эксплуатационно-техническим признакам:

§ Производственному назначению

§ Производственным связям

§ По режимам работы

§ По мощности и напряжению

§ По роду тока

§ По требованиям к надежности электроснабжения

§ По территориальному размещению и стабильности расположения

По надежности электроснабжения приемники делятся на три категории:

§ 1-я категория: допускается перерыв в напряжении 1-2 сек, что диктуется необходимостью обеспечения безопасности жизнедеятельности человека.

§ 2-я категория: допускается перерыв в электроснабжении 1,5-2 часа. Недоотпуск продукции, массовый простой электрооборудования.

§ 3-я категория: все остальные потребители.

По режимам работы приемники делятся на группы по сходству графиков нагрузки:

1. Продолжительный режим работы. (Условное обозначение режима S1, рис.1а)

В этом режиме приемник работает длительное время. Температура его частей достигает определенной величины не выше предельно допустимой при неизменной температуре охлаждающей среды.

2. Режим кратковременной нагрузки. (Условное обозначение режима S2, рис.1б)

Приемник за время работы не нагревается до установившегося значения, а за период остановки успевает охладиться до температуры окружающей среды. (Например для электромашин: 10,30,60 и 90 мин).

3. Режим повторно-кратковременной нагрузки. (Условное обозначение режима S3, рис.1в)

Рабочие периоды чередуются с периодами отключения. При этом нагрев не превосходит допустимого, но и за время охлаждения части не достигают температуры окружающей среды. (Например: электродвигатели кранов, сварочные установки).

Режим характеризуется продолжительностью включения:

где — время включения, — время цикла, — время отключения.

Время цикла принимается 10 минут, если нет других указаний, и устанавливается стандартными значениями продолжительности включения в % = 15%, 25%, 40%, 60%. ПВ указывается в паспорте на приемник.

По мощности и напряжению

По мощности промышленные предприятия классифицируют:

Большие – с мощностью 75-100 МВТ

Средние – с мощностью 5-75 МВТ

Малые – до 5 МВТ

Мощность приемников, питающихся от трансформаторов определяется мощностью трансформаторов.

Для приемников, работающих в повторно-кратковременном режиме мощность приводится к продолжительному режиму работы.

По роду тока потребители делятся на три группы:

1. Работающие от сети переменного тока промышленной частоты 50 Гц (~I, f =50 Гц) – основная группа.

2. Приемники работающие от сети переменного тока, повышенной или пониженной частоты.

Повышенная частота используется для закалки металла, для плавки, для питания высокоскоростных электродвигателей (ЭД) в деревообрабатывающей, текстильной промышленности Гц.

Пониженной частотой питаются ЭД, применяемые для транспорта Гц.

Установки для перемешивания жидкого металла используют Гц.

3. Работающие от сети постоянного тока.

Это цеха электролиза, электролитического получения металла, отдельные виды электросварки, для питания электродвигателей постоянного тока.

Основная масса приемников – это

1. Электродвигатели промышленных установок и механизмов.

Двигатели компрессоров, вентиляторов, насосов, подъемно-транспортных устройств.

Для крупных установок применяются СД (синхронные двигатели), для остальных — АД (асинхронные двигатели).

ЭД являются приводами станков.

2. Электрические печи и термические установки.

Печи подразделяются по способу преобразования электрической энергии в теплоту:

а) печи сопротивления прямого и косвенного действия.

Исполнение бывает одно и трехфазное, Гц, мощность разная.

б) дуговые электропечи делятся на печи прямого и косвенного действия.

Печи прямого действия: дуга горит между электродом и металлом.

Печи косвенного действия: дуга горит между двумя электродами, это очень мощные печи, кВ. Первая категория по надежности электроснабжения. Печи прямого действия мощнее.

в) печи индукционного и диэлектрического нагрева.

Нагрев происходит за счет индукционных токов, протекающих внутри металла. Печи работают при повышенной частоте f до 2000 Гц. При f = 50Гц предназначены для плавки чугуна.

3. Электросварочные установки.

в) специальная высокочастотная

Основное оборудование: источник питания, который может быть:

1. постоянного тока, т.е. это преобразователь или выпрямитель.

2. переменного тока, это трансформатор одно или трехфазный.

При промышленной сварке используются электроприводы для перемещения и подачи сварочной проволоки в автоматических установках.

4. Осветительные установки.

На осветительные установки приходиться до 25% потребляемой мощности.

Освещение характеризуют удельной плотностью нагрузки. В производственном помещении это 10-100 .

Как потребитель электроэнергии осветительная нагрузка считается равномерной. Напряжение не выше 250 В относительно земли. Коэффициент мощности для ламп накаливания . Для газоразрядных ламп без компенсации .

По категории надежности электроснабжения осветительные установки относятся ко II и III, но аварийное освещение к I категории электроснабжения.

Основные понятия и единицы измерения светового потока.

Любое тело, температура которого К (абсолютного нуля) излучает в окружающее пространство лучистую энергию. Перенос лучистой энергии осуществляется квантами энергии – это минимальная порция энергии.

Энергия одного кванта: (формула Эйнштейна),

Излучение принято измерять длиной волны: это расстояние, пройденное излучением за время полного колебания.

Все электромагнитное излучение можно разложить в спектр, т.е. в линейку по длинам волн.

Поток лучистой энергии

Мощность излучения, характеризующая количество энергии, излучаемой в единицу времени, называется потоком излучения или лучистым потоком.

где — численно равная энергии, переносимой световыми волнами за единицу времени, — энергия излучаемая за какое-то время.

Это есть лучистый поток, оцениваемый по его действию на селективный приемник – человеческий глаз. Чувствительность глаза максимальна в зеленой области спектра.

Относительная спектральная чувствительность глаза ( ):

Каждую длину волны характеризуют величиной лучистого потока. Полный световой поток:

— спектральная плотность лучистого потолка.

— относительный спектральная чувствительность (эффективность) глаза.

— световой поток данной длины волны (монохроматический).

Полный световой поток:

— измеряется в люменах (лм).

Распределение светового потока в пространстве.

Распределение светового потока в пространстве неравномерно, поэтому световой поток не является достаточной характеристикой излучения. Для характеристики распределения светового потока источников излучения пользуются понятием пространственной плотности светового потока.

Сила света — это пространственная плотность светового потока.

, она равна доле светового потока распространяющейся в телесном угле с вершиной в точке расположения источника.

; (Ср — стерадиан).

Один стерадиан — это телесный угол, который имея вершину в центре сферы вырезает на ее поверхности участок площадью S равный квадрату радиуса сферы.

Кандела определяется как сила света, излучаемая в перпендикулярном направлении элементом поверхности черного тела площадью 1:600000 при температуре затвердевания платины.

Распределение силы света от источников света в пространстве неоднородно. Излучатели имеют ось симметрии, поэтому их можно принять за тело вращения. Для них распределение силы света может быть представлено продольной кривой распределения силы света, полученной как результат сечения фотометрического тела плоскостью, проходящей через ось излучателя.

Изобразим численное значение силы света в различных направлениях векторами, длина которых равна силе света. Соединим концы радиус-векторов поверхностью. Эта поверхность и есть фотометрическое тело, а сечение представляет собой кривую распределения силы света от определенного источника.

Часть пространства, ограниченная замкнутой поверхностью, представляющая геометрическое место концов радиусов-векторов, носит название фотометрического тела излучателя.(рис.a)

Обычно фотометрическое тело симметрично относительно оси источника и, следовательно может быть принято за тело вращения. Для таких излучателей, называемых симметричными излучателями, распределение силы света может быть представлено продольной кривой распределения света.(рис.б) Она задается в справочниках и в паспорте на светильник (строится обычно в полярной системе координат).

Освещенность – это поверхностная плотность светового потока.

или =

Люкс равен освещенности поверхности в 1 , по которой равномерно распределен световой поток в 1 люмен (например, в учреждениях Е=300 лк).

Освещенность численно равна отношению светового потока, падающего на поверхность к площади этой поверхности. Освещенность можно относить к реальной поверхности или к условной поверхности. (поверхность стола, станка или освещенность горизонтальной поверхности на высоте 0,8 м от пола – условная рабочая поверхность).

Рассмотрим три случая освещенности:

1. Лучи параллельны между собой, то есть источник расположен на дальнем расстоянии

; ; ; ; .

Освещенность поверхности наклонным пучком лучей прямо пропорциональна cos угла падения.

2. Точечный источник света

; ; ; .

Освещенность изменяется обратно пропорционально квадрату расстояния от освещаемой поверхности до источника света.

— угол между нормалями двух

где — телесный угол.

— освещенность перпендикулярной площадки.

а) Освещенность поверхности от точечного источника прямо пропорциональна силе света и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

б) Освещенность пропорциональна cos угла падения света на освещенную поверхность.

Яркость B (L)

Яркость – это поверхностная плотность света в заданном направлении.

Яркостью светящейся поверхности называется отношение силы света, излучаемой в данном направлении к проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную направлению излучения.

S – светящаяся поверхность.

— это проекция светящейся поверхности S на плоскость перпендикулярную направлению ОМ (направлению излучения).

За единицу яркости принята величина .

Светимость М (R)

Светимость – это поверхностная плотность светового потока, испускаемого поверхностью.

Светимость какой-либо поверхности – это световой поток, испускаемый единицей поверхности:

или для равномерно светящейся поверхности:

Светимость – это характеристика поверхности по ее способности к отражению.

Поверхности по характеристикам излучают или отражают свет с различной яркостью в различных направлениях.

Существуют диффузные поверхности, которые излучают или отражают свет с яркостью, одинаковой во всех направлениях или по закону Ламберта. К таким поверхностям относится поверхность снега, молочные стекла, белая бумага и абсолютно черное тело.

Соотношение между светимостью и яркостью

Соотношение между освещенностью и яркостью

— коэффициент отражения

— поток, идущий от поверхности.

Световые свойства тел

Световой поток, падающий на непросвечивающее тело, частично поглощается им, а частично отражается.

В случае просвечивающего тела, кроме отражения и поглощения имеет место так же пропускание светового потока. Количественно отражение, поглощение и пропускание светового потока телом оценивается соответствующими коэффициентами.

По закону сохранения энергии:

— коэффициент поглощения равен отношению светового потока , поглощенного телом, к световому потоку Ф, падающему на него.

— коэффициент пропускания равен отношению светового потока , прошедшего сквозь тело, к световому потоку Ф, падающему на него.

— коэффициент отражения равен отношению светового потока , отраженного телом к световому потоку Ф, падающему на него.

Различают на три случая:

1 — зеркальное отражение, которое дают хорошо полированные поверхности.

2 — диффузное отражение или полное рассеяние. Его дают поверхность молочного стекла или мягкий снег.

3 — промежуточное – это направлено-рассеянное отражение.

1) 2) 3)

В третьем случае фотометрическая поверхность представляют собой эллипсоид, большая ось которого направлена так же как отраженный луч.

Во втором случае фотометрическая поверхность представляет собой шар.

Источники света и их выбор.

Светоотдача источника света:

Для ламп накаливания низкая 7÷22 лм/Вт. Срок службы ламп накаливания 1000 часов. Коэффициент мощности .

Преимущества: Дешевизна конструкции, отсутствие пускорегулирующей аппаратуры, высокий коэффициент мощности.

Усовершенствованные лампы накаливания:

– Лампы с зеркальным отражающим слоем, который наносится изнутри на верхнюю часть колбы. Преимущество в том, что происходит перераспределение светового потока в нижнюю область лампы и выходное отверстие меньше загрязняется, следовательно сила света мало меняется. Рекомендуются для помещений с запыленными условиями среды.

– Галогенные лампы. Используются в подсветках витрин. В лампах применен вольфрамо-галогенный цикл. В колбу лампы добавлены галогениды: фтор, бром, йод.

1-колба из кварцевого стекла; 2-нить накала; 3-вводы; 4-внешние вводы;

Работа: при включении спираль нагревается и происходит испарение вольфрама. Пары йода помещенные в колбу с испаренным вольфрамом образуют йодистый вольфрам, который диффундирует к нити и при температуре 1200°С на нити вольфрам осаждается, а пары йода возвращаются к стенкам. Процесс повторяется, представляя собой замкнутый цикл. В результате увеличивается продолжительность горения до 2000 часов (последующие разработки – до 5000 часов).

Преимущества: Хорошая цветопередача, белый свет, близкий к естественному и высокие мощности до 20000 Вт. Используются в картинных галереях, хороших магазинах.

Люминесцентные лампы – это газоразрядные источники света низкого давления, в которых ультрафиолетовое излучение ртутного разряда преобразуется в видимое излучение. В России люминесцентные лампы появились в 1938 году. Сейчас 75% потребителей пользуются газоразрядными лампами.

Виды люминесцентных ламп:

– Трубчатая лампа (прямая) Д(d) = 38 мм и мощностью 20, 40, 65 Вт. Мощность у люминесцентных ламп достигает ­­– 150 Вт. С 1985 г. лампу усовершенствовали, уменьшив её диаметр Д(d) = 26 мм, Р = 18, 36, 58 Вт при светоотдаче увеличенной на 10%.

– U — образные – кольцевые

– компактные люминесцентные лампы (L=144 мм)

– с электронными пускорегулирующими устройствами (L=180-250 мм)

Принцип действия люминесцентных ламп

В люминесцентных лампах электрический ток протекает между электродами и вызывает тлеющий разряд в парах ртути. По мере увеличения напряжения возникает дуговой разряд в газе, в парах ртути низкого давления которое сопровождается свечением по всей длине. При этом основная доля излучения приходится на ультрафиолетовое излучение. Ультрафиолетовое излучение поглощается люминофором и преобразуется в видимое. В зависимости от типа люминофора, которым покрыта колба изнутри, выпускают 5 основных цветностей ламп. Наиболее экономичной считается лампа белого света ЛБ (люминесцентная белая). Поэтому рекомендуется использовать ЛБ, за исключением помещений, в которых необходима улучшенная светопередача.

Люминесцентные лампы в холодном состоянии имеют бесконечно большое сопротивление. При возникновении устойчивого дугового разряда в лампе резко падает сопротивление и режим работы лампы становится не устойчивым. Для стабилизации потока необходимо использовать балластное устройство, включенное последовательно с лампой, которое будет компенсировать увеличение проводимости в разрядной трубке. Обычно используют дроссели.

Схема включения люминесцентной лампы

1. Лампа люминесцентная

3. Неподвижный электрод

4. Подвижный электрод

— обозначает, что лампы наполнены ртутью

Стартер – это неоновая лампа с подвижными контактами. При включении схемы в сеть на стартере между подвижным и неподвижным контактами возникает тлеющий разряд. Постепенно электрод 4 нагревается и изгибается, касается электрода 3 и замыкает цепь. Подвижный электрод 4 имеет биметаллическую структуру. Через люминесцентную лампу проходит по электродам ток и нагревает спираль лампы, появляются свободные электроны, они движутся к противоположному контакту, начинается тлеющий разряд, сопротивление лампы уменьшается, в стартере после замыкания контактов ток уменьшается, биметаллическая пластина охлаждается, выпрямляется и разрывает цепь. Возникающие импульсы напряжения зажигают лампу. Напряжение пуска на лампе 400–500 В.

1) Создавать дополнительную ЭДС в момент отключения стартера для зажигания лампы.

, т.е. мы используем ЭДС индукции дросселя в

2) При возникновении дугового разряда в лампе, то есть когда лампа горит устойчиво, на лампе падает . Значит остальное напряжение падает на дросселе: и дроссель используется как балластное сопротивление.

3) Дроссель стабилизирует все изменения напряжения в сети и повышает устойчивость работы лампы.

При наличии дросселя в сети снижается коэффициент мощности . Для повышения используют конденсаторы. В схеме это С₂ и С₃ :С₂ = 4-8мкф, С₃ = 0,5мкф – как входной фильтр, С₁ включен параллельно стартеру для устранения радиопомех, его величина С₁ = 0,06мкф.

Достоинства люминесцентной лампы:

1) Высокая светоотдача и большой срок службы

2) Малая себестоимость в связи с высокой механизацией. Простота конструкции, доступность сырья и материалов.

3) Благоприятный спектр излучения и высокая цветопередача.

4) Низкая яркость и температура поверхности лампы.

Недостатки люминесцентной лампы

1) Малая единичная мощность.

2) Большие размеры люминесцентной лампы. Низкая концентрация светового потока.

3) Ненадежная работа при низких температурах.

4) Стробоскопический эффект (лампа моргает). Это приводит к тому, что вращающиеся с определенной частотой предметы кажутся не подвижными.

Специальные схемы для уменьшения стробоскопического эффекта

1) Три соседние лампы, расположенные рядом запитывают от трех разных фаз, при этом увеличивается количество проводов.

2) Применяют двухламповый светильник с искусственным сдвигом фаз. На первой лампе за счет включенного последовательно дросселя ток отстает от напряжения на 90°. На второй лампе за счет включенного последовательно конденсатора ток опережает напряжение на 90°, максимум излучения одной лампы совпадает с минимумом другой, то есть вредных пульсаций не будет.

3 – дроссели

4 – конденсаторы

Схемы включения люминесцентных ламп

1) Стартерная 2^х ламповая симметричная схема.

Дроссель L₁ расщеплен на три обмотки для более симметричной ЭДС – индукции. С лампой 1 включен последовательно конденсатор С. В результате чего ток на лампе отстает по фазе от напряжения на , R- разрядное сопротивление, необходимое по требованиям технической безопасности. Ток на лампе 2 опережает напряжение на . Соответственно световые потоки лампы 1 и 2 смещены во времени, а суммарный поток практически постоянен.

Эта схема применяется:

1) для уменьшения вредного стробоскопического эффекта;

2) для улучшения компенсации индуктивного сопротивления дросселей;

3) для ослабления радиопомех.

Коэффициент мощности достигает 0,92 при использовании пускорегулирующей аппаратуры.

Стартерные схемы более экономичны и более 80% всех ламп включены по стартерным схемам.

2) Бесстартерная 2^х ламповая схема включения.

Стартер служит источником радиопомех. Чтобы их исключить, применяют следующую бесстартерную схему. Для надежной работы вместо дросселя применяют трансформатор у которого на вторичной обмотке 450В. Накальный трансформатор обеспечивает быстрое и надежное зажигание 1 и 2 ламп. Емкость С включенная последовательно к 1-й лампе служит для смещения тока по отношению ко 2-й лампе.

Дроссель L и оба конденсатора обеспечивают . Область применения уже. Схема потребляет больше энергии.

Схема включения ламп ДРЛ.

3 — основные электроды.

4 — вспомогательные, зажигающие электроды.

R1,R2 – предохранительные резисторы,

находятся внутри лампы.

L – дроссель.

До подачи напряжения давление в лампе около 3 атм. и определяется находящейся в баллоне ртутью и инертным газом. В момент подачи напряжения между электродами 3 и 4 возникает разряд , возрастает давление, происходит нагрев, ртуть испаряется, электроды испускают электроны, формируется разряд между основными электродами 3 и 3. Время зажигания 5-7 минут. Формируется дуговой разряд. Лампа может работать на постоянном и переменном токе, на переменном токе дуга зажигается каждые полпериода, напряжение необходимое для зажигания лампы 250 В. Ток внутри лампы состоит из электронов и ионов за счет газа, находящегося внутри. Через 7 минут ртуть испаряется полностью, устанавливается постоянный режим работы, постоянная температура.

Повторное включение лампы возможно через 10-15 минут после остывания. Поэтому эти лампы нельзя использовать для аварийного освещения.

1) Лампа включена последовательно с дросселем и применен конденсатор для повышения . Она наиболее часто употребляема.

2) Используют при низких температурах, трансформатор Т обеспечивает надежное зажигание и стабильность тока через лампу.

3) Последовательно соединенный дроссель и конденсатор, что позволяет поддерживать постоянным световой поток при колебании напряжения.

Натриевые лампы ДНаТ.

Они бывает 2-х типов: высокого давления и низкого давления.

Разряд происходит в парах натрия, который является агрессивным элементом. В этих лампах вместо стекла используют светопропускающую керамику. В качестве горелок или электронов используют поликристаллическую окись Al с керамической оболочкой. Поэтому лампы дорогие в изготовлении. Зажигание ламп затруднено, необходимо импульсное зажигающее устройство на напряжение 2,5-4 кВ. Излучение желто-золотистого цвета для освещения магистралей, стадионов, больших площадей.

Схема включения ДНаТ.

ДНаТ 250 (мощность).

d=48, l=250, Ф=23000 лм.

ИУ – импульсное зажигающее

Специальные источники света.

Свечение возникает на p-n переходе при приложении к p-n переходу постоянного напряжения, электроны и дырки рекомбинируют, частично испуская фотоны. Они испускают свет в инфракрасной области, затем оно поглощается люминофорами и преобразуется в видимое. Получают красное, голубое, зеленое свечение. Габаритные размеры современных светоизлучающих диодов 3-7 мм в диаметре. Работают от источника постоянного напряжения, сила света I = 0,01-0,02 кд. Световая отдача .

Осветительные приборы или светильники.

Светильник состоит из источника света, осветительной арматуры и служит:

1) Для перераспределения светового потока.

2) Для защиты глаз от чрезмерной яркости.

3) Для защиты источника света от механических повреждений и загрязнения.

4) Для крепления и подачи тока.

Делятся на две группы:

1) Ближнего действия – светильники.

2) Дальнего действия – прожекторы.

ЭФФЕКТИВНОСТЬ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОТРЕБЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В
ПРОМЫШЛЕННОСТИ.

Отсутствие в
энергосистемах достаточного количества специальных маневренных мощностей при
все возрастающей неравномерности графиков нагрузок требует проведения
регулировочных мероприятий на основе применения потребителей – регуляторов.

Потребители –регуляторы – это потребители
с заранее продуманным режимом работы, способствующие снижению максимума
нагрузки энергосистемы в пиковые часы ГН и увеличению ее нагрузки в часы
ночного провала ГН.

Потребители – регуляторы
можно классифицировать по следующим основным признакам: отраслевому, режимам
работы, способом выравнивания ГН.

Периодические ПР могут по
указанию диспетчера энергосистемы ограничивать свою нагрузку в любое время,
позволяя тем самым предотвратить развитие аварийной ситуации.

В соответствии с
классификацией по способу выравнивания ГН весь состав ПР можно разделить на две
группы:

1.  ПР снижение максимум нагрузки. Как
правило это мощные промышленные электроустановки (ДСП, феррост. печи, ГОК и
др.)

2.  ПР специально создаваемые в целях
использования избыточной ночной электроэнергии. К ним в первую очередь
относятся тепловые электроустановки с системой аккумуляции низкотемпературного
тепла, которые используются для отопления и горячего водоснабжения в
сельскохозяйственном производстве и коммунально-бытовом секторе.

Источники экономической эффективности использования
ПР.

Величина эффективности регулирования
электропотребления зависит от величины экономии затрат в энергосистеме,
получаемой вследствие уплотнения ее графика нагрузки и дополнительных затрат у
потребителей при работе их в режиме ПР мощности.

Затраты в
энергосистеме снижаются за счет:

1.  Уменьшения необходимых капитальных
вложений на ввод новых генерирующих мощностей (снижается вредное воздействие
энергетики на окружающую среду)

2.  Уменьшения удельного расхода топлива
на выработку одного и того же количества электроэнергии (снижение себестоимости
производства электроэнергии).

3.  Экономии эксплуатационных затрат за
счет уменьшения установленной мощности

4.  Экономии ремонтных затрат в
энергосистеме, т.к. более плотный график нагрузки позволяет снизить требование
к маневренности энергетического оборудования, что улучшает условия его
эксплуатации.

5.  Повышения фондоотдачи энергооборудования.

Кроме этого существует значительный экономический
эффект при замещении электротеплоаккумулирующей установкой районной котельни.

Экономия капиталовложений
рассчитывается по формуле

 – отключаемая мощность в энергосистеме в
связи с применением потребителей-регуляторов.

 – коэффициент, учитывающий резерв мощности
в энергосистемах.

 – удельные капиталовложения в
установленную мощность на электростанциях.

 – экономия годовых эксплуатационных
издержек при отказе от строительства новых генерирующих мощностей.

Экономия топливной
составляющей ежегодных эксплуатационных затрат при перемещении части пикового
электропотребления в базисную зону ГН определяется по формуле

 – цена тонны условного топлива
соответственно на пиковых и базисных электростанциях

 – удельный расход условного топлива на
пиковых и базисных электростанциях

 – снижение электропотребления в пиковой
зоне и увеличение потребления в базисной зоне ГН.

 – коэфф. потерь электроэнергии в сетях.

Экономический эффект от внедрения ЭТАУ по сравнению с
топливными котельными состоит из:

– 
сокращения
трудозатрат (в 5–6 раз) за счет высокой автоматизации;

– 
сокращения
эксплуатационных затрат на ремонт;

– 
отсутствия затрат
на транспорт и хранение топлива

– 
уменьшения
капитальных вложений в теплоэнергетическую установку и тепловые сети;

– 
снижение потерь
тепловой энергии и экономии земли по занимаемой площади объекта.

Кроме этого,
эффективность потребления электроэнергии во время провала ГН на нужды отопления
и горячего водоснабжения обусловлена потреблением избыточной электроэнергии,
которая в любом случае теряется, расходуясь на увеличение частоты,
дополнительные перетоки и потери энергии в сетях.

Таким образом,
экономический эффект при замещении топливной котельни
электротеплоаккумулирующей можно определить из формулы

 –
стоимость выработки 1 Гкал. тепла в топливной котельни

 –
годовое потребление избыточной электроэнергии ЭТАУ.

Осуществление
регулировочных мероприятий у потребителей как правило приводят к:

1.  Увеличению капитальных затрат,
связанных с установкой дополнительного оборудования для производства
необходимого количества продукции.

2.  Возрастанию материальных затрат, в
том числе и топливно-энергетических ресурсов на производство единицы продукции.

3.  Большей сложности ведения
технологического процесса и обострению социальных вопросов.

4.  Снижению фондоотдачи и повышению
фондоемкости продукции.

Однако возможны для
потребителей и положительные эффекты

1)  снижаются затраты на расчет с энергосистемой
за используемую электроэнергию;

2)  избыток производственных мощностей
дает возможность избежать аварийных простоев.

Величина дополнительных затрат у потребителя зависит в
основном от характерных особенностей оборудования и технологических процессов
производства. Она также прямо пропорциональна глубине и длительности
регулирования ГН, т.е. с увеличением глубины и длительности регулирования
капитальные и эксплуатационные затраты возрастают. Однако такое возрастание не
отражается на удельных затратах в расчете на 1 кВт снижаемой нагрузки, и эти
затраты оказываются стабильными.

Следовательно,
дополнительные приведенные затраты, связанные с осуществлением регулировочных
мероприятий у ПР определяются по формуле:

 –
удельные приведенные затраты на 1 кВт снижения нагрузки

 –
величина снижаемой ПР мощности

Для определения
экономической целесообразности использования конкретного набора ПР используются
методы математического моделирования. Это обусловлено трудностями, а в
большинстве случаев и невозможностью проведения натурных экспериментов на
действующем оборудовании. Тем более использование методов математического
моделирования необходимо при проведении перспективных расчетов.