Энергосбережение в системах электроснабжения и энеропотребления

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
Н. А. СТРЕЛЬНИКОВ 
 
 
 
ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ  
В СИСТЕМАХ 
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ  
И ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЯ 
 
 
Утверждено  
Редакционно-издательским советом университета  
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2023 

УДК 621.311.16:658.26(075.8) 
   С844 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент М. Е. Вильбергер 
канд. техн. наук, доцент Д. А. Павлюченко 
 
 
Работа подготовлена на кафедре 
систем электроснабжения промышленных предприятий 
для студентов ФЭН бакалаврской и магистерской подготовки 
 
 
 
Стрельников Н. А. 
С844  
Энергосбережение в системах электроснабжения и энергопотребления : учебное пособие / Н.А. Стрельников. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2023. – 103 с. 
ISBN 978-5-7782-4991-2 
Учебное пособие представляет собой набор из шестнадцати задач 
по энергосбережению и повышению энергетической эффективности 
систем электроснабжения и потребителей электроэнергии. Каждая из 
задач имеет соответствующее теоретическое введение и задание на выполнение расчетов. Теоретическое введение позволит студентам полнее 
понять сущность предлагаемой задачи, более рационально выполнить 
ее решение и сделать правильные выводы о возможностях ее практического применения. Все предлагаемые задачи характерны для реальной 
инженерной практики, поэтому должны  помочь студентам использовать полученные теоретические знания для их практического применения. 
 
 
УДК 621.311.16:658.26(075.8) 
 
 
ISBN 978-5-7782-4991-2 
 Стрельников Н. А., 2023 
 
 Новосибирский государственный 
 
     технический университет, 2023 

 
 
 
 
 
 
 
ВВЕДЕНИЕ 
Учебное пособие представляет собой набор задач, которые должны 
быть решены на основе информации, получаемой в процессе изучения 
теоретической части работы. Все задачи посвящены актуальным вопросам энергосбережения и увеличения энергетической эффективности систем электроснабжения, потребителей электроэнергии и электроприемников. Каждая из этих задач сопровождается кратким 
теоретическим материалом, позволяющим студенту более глубоко понять ее смысл, проанализировать результаты решения и оценить возможности использования полученной информации. Основная цель пособия – формирование у студентов компетенций в области 
энергосбережения. Пособие предполагает решение совокупности задач 
в виде выполнения экспериментов с использованием соответствующих 
физических моделей, обработкой полученной информации и оформлением результатов работы в виде отчетов. 
В результате решения задач, описанных в пособии, студенты получают информацию и элементарные базовые практические навыки в 
области методики и оценки возможностей реализации энергосберегающих мероприятий в реальной инженерной практике. 
 
 
 

 
 
 
 
 
 
 
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ  
В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ  
И ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ 
Рассмотрен набор моделей элементов системы электроснабжения, 
потребителей электроэнергии и электроприемников, выполненных  
в виде совокупности автономных функциональных блоков (см. рисунок). Для формирования требуемой физической модели подбирается 
соответствующий набор блоков и обеспечивается их электрическое 
соединение в соответствии с прилагаемой к каждой задаче принципиальной схемой электрических соединений. В процессе работы предлагается найти решения шестнадцати задач. Схемы подключения измерительных приборов для производства измерений в процессе 
выполнения экспериментов показаны в приложении. 
 
 
Внешний вид установки 

 
 
 
 
 
 
 
ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ 
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА  
ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ ТРАНСФОРМАТОРА 
Краткое теоретическое введение 
Коэффициент полезного действия трансформатора 
Т
(
)

 – одна из 
важных его энергетических характеристик. Он определяется отношением мощности 
2
P , отдаваемой трансформатором в нагрузку, к мощности 1P  потребляемой им из сети [1–3] (рис. 1.1): 
 
2
Т
1
100 %.
P
P


  
(1.1) 
Дополнительные потери мощности в трансформаторе имеют место 
в стенках бака трансформатора, в прессующих кольцах, в ярмовых 
балках и других элементах конструкции трансформатора (рис. 1.2). 
При наличии несинусоидальности напряжения величина дополнительных потерь мощности существенно возрастает. 
Коэффициент загрузки трансформатора, о.е.: 
 
факт
ном
S
S

,  
(1.2) 
где 
факт
S
, 
ном
S
 – фактическая и номинальная мощность нагрузки, 
кВ  А. 

 
Рис. 1.1. Баланс мощности силового трансформатора: 
1P , 
P  – мощность потребляемая первичной обмоткой, и мощность,  
отдаваемая вторичной обмоткой потребителю; 
1,
U
2
U  – напряжения 
первичной и вторичной обмотки; 
1
cos
,

2
cos – коэффициенты мощности нагрузки первичной и вторичной обмотки; 
эл
ΔP  – электрические 
потери мощности в обмотках трансформатора; 
м
ΔP  – потери мощности 
в магнитопроводе трансформатора 
доп
ΔP
 – дополнительные потери  
                               мощности в трансформаторе 
 
 
 
Рис. 1.2. Зависимости КПД трансформатора, потерь мощности  
в его магнитопроводе и обмотках от величины его коэффициента  
                                                     загрузки 

При определении КПД трансформатора расчетом без учета дополнительных потерь может быть использовано выражение: 
 
хх
КЗ
Т
2
ном
2
хх
КЗ
1
cos
P
P
S
P
P







,  
(1.3) 
где 
хх
ΔP
 – потери холостого хода трансформатора (по паспорту), кВт; 
КЗ
ΔP
 – потери короткого замыкания трансформатора (по паспорту), 
кВт; β  – коэффициент загрузки трансформатора, о.е.; 
ном
S
 – номинальная мощность трансформатора, кВ  А; 
2
cosφ  – коэффициент 
мощности нагрузки трансформатора, о.е. 
Объектом испытаний является однофазный трансформатор с подключаемой к нему нагрузкой. Мощность и вид нагрузки задаются 
преподавателем. При работе трансформатора под нагрузкой измеряются все параметры, необходимые для расчета величины коэффициента полезного действия трансформатора, что является целью эксперимента. 
Указания к выполнению работы 
Для выполнения работы необходимо использовать технические 
средства, указанные в таблице, и схему электрических соединений 
(рис. 1.3). 
Технические средства 
Обозначение 
Наименование 
Обозначение 
Наименование 
G1 
Однофазный источник 
питания 
A6, A7 
Индуктивная нагрузка 
A1 
Автоматический однополюсный выключатель 
A8 
Коммутатор измерителя мощностей 
A2 
Однофазный трансформатор 
P1 
Блок 
мультиметров 
A4, A5 
Активная нагрузка 
P2 
Измеритель мощностей 

 
Рис. 1.3. Схема электрических соединений 
1. Убедиться в том, что все технические средства, используемые  
в данном эксперименте (см. таблицу), отключены от сети электропитания и удобно расположены на стенде для их подключения в соответствии со схемой электрических соединений (см. рис. 1.3). 
2. Соединить гнезда защитного заземления всех устройств, используемых в эксперименте, с гнездом «РЕ» однофазного источника питания G1. 

3. Отключить выключатель А1 и выполнить все соединения в соответствии со схемой (рис. 1.4). 
4. Переключатель коммутатора А8 установить в положение 1. 
5. Переключателем коэффициента трансформации А2 установить 
заданное преподавателем значение. 
6. Установить соответствующими переключателями заданные 
преподавателем параметры нагрузок А4…А7. 
7. Включить источник питания стенда G1. 
8. Включить выключатели «СЕТЬ» блока коммутаторов и измерителя мощностей Р2. 
9. Подключить мультиметры. (Схемы подключения мультиметров 
см. на рис П.1 в приложении.) 
10. Включить выключатель А1. 
11. Контролировать входное и выходное напряжение исследуемого 
трансформатора А2 с помощью мультиметров, включенных как вольтметры блока Р1. 
12. Измерить величины активной мощности 
1
Р  и 
2
Р  соответственно до и после исследуемого трансформатора А2 с помощью измерителя 
Р2 при положениях 1 и 2 переключателя коммутатора А8. 
13. После завершения эксперимента отключить источник G1, выключатели «СЕТЬ» измерителя мощностей Р2 и блока мультиметров Р1. 
14. Определить искомый коэффициент полезного действия 
Т
η  
трансформатора А2 по формуле (1.3). 
Контрольные вопросы к защите результатов работы 
1. От чего зависит коэффициент полезного действия трансформатора? 
2. От чего зависит величина потерь холостого хода трансформатора? 
3. От чего зависит величина нагрузочных потерь трансформатора? 
4. Назовите назначение, порядок выполнения и получаемые  
результаты опыта холостого хода силового трансформатора. 
5. Назовите назначение, порядок выполнения и получаемые результаты опыта короткого замыкания силового трансформатора. 
6. Как влияет коэффициент мощности нагрузки на потери энергии  
в трансформаторе? 
7. От чего зависят потери в магнитопроводе силового трансформатора? 

 
 
 
 
 
 
 
2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ УДЕЛЬНЫХ ПОТЕРЬ  
АКТИВНОЙ МОЩНОСТИ  
В ЛИНИИ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ 
Краткое теоретическое введение 
Линия электропередачи – один из главных элементов электрической сети вне зависимости от назначения и параметров этой сети. Линия электропередачи, как и вся электрическая сеть в целом, является 
транзитным устройством и предназначена для передачи электрической 
энергии с минимальными потерями ее мощности и энергии. Потерями 
мощности в электрической сети называется мощность, потребляемая 
элементами сети при передаче энергии сетью или в режиме ее холостого хода, когда сеть находится под напряжением. Они подразделяются 
на потери активной и потери реактивной мощности, на условнопостоянные и условно-переменные потери. Потери мощности имеют 
место в линиях электропередачи, трансформаторах и других элементах 
сети. Условно-постоянными называются потери, возникающие в поперечных ветвях схем замещения. Эти потери приближенно можно считать пропорциональными квадрату напряжения. Они мало зависят от 
тока нагрузки и возникают даже при его отсутствии, т. е. на холостом 
ходу. Поэтому их называют также потерями холостого хода. Если 
напряжение в сети мало меняется во времени, то потери холостого хода остаются почти постоянными. Условно-переменными (нагрузочными) называются потери, которые возникают в продольных ветвях схем 
замещения элементов сети. Эти потери пропорциональны квадрату 
тока нагрузки, который может существенно изменяться во времени.  
В связи с этим нагрузочные потери тоже изменяются соответственно 
изменению тока нагрузки. Величина потерь мощности и электроэнергии в линиях электропередачи определяет энергетическую эффектив